Brevet FR2526998A1 — publié le 19831118

INTERRUPTEUR A ARC TOURNANT ET A AIMANT PERMANENT. L'invention est relative à un interrupteur ou disjoncteur arc tournant comprenant une enveloppe étanche remplie de gaz isolant à rigidité diélectrique élevée, une paire de contacts séparables, un aimant permanent engendrant un champ magnétique dans la zone de séparation des contacts pour imposer une rota- tion de l'arc, une paire de plages de raccordement er liaison électrique avec lesdits contacts, et un circuit d'amenée de courant agencé entre chaque ilane et le contact correspondant, et comprenant un premier trajet du courant à l'extérieur de l'aimant. La demande de brevet européen NI 37 765 a trait à un tel interrupteur, et l'aimant permanent est disposé à l'inté- rieur d'un cylindre conducteur creux formant le contact fixe Le courant parcourant le contact fixe et le circuit d'amenée ne traverse pas l'aimant permanent et n'engendre aucun champ magnétique susceptible de démagnétiser l'aimant logé à l'intérieur du contact fixe. Selon la demande de brevet allemand AS 1 236 628, l'inter- rupteur à arc tournant comporte deux aimants permanents annulaires à aimantation radiale et entourant coaxialement les contacts séparables Le passage du courant dans les contacts provoque un champ magnétique de démagnétisation à l'intérieur de chaque aimant Il en résulte un risque de désaimantation des aimants permanents qui dépend de l'inp- tensité du courant circulant dans l'interrupteur et du matériau magnétique de l'aimant Ce type d'interrupteur est principalement utilisé pour la coupure de courants de faibles intensités, mais il est incapable de couper des courants élevés, par exemple supérieurs à 15 k A Pour ré- duire l'effet de démagnétisation de l'aimant, on a déjà proposé selon la fig 4 du brevet USA 3 082 307, d'entou- rer l'aimant annulaire traversé par le contact fixe, au moyen d'un écran en forme de manchen de cuivre Le flux, engendré par le passage du courant dans le contact, induit des courants de Foucault dans le manchon de protection de l'aimant Il en résulte un flux antagoniste qui s'oppose au flux démagnétisant Ce dispositif ne donne pas entière sa- tisfaction, et le risque de désaimantation de l'aimant sub- siste, surtout pcur la coupure de courants continus. La présente invention a pour but de permettre la réalisa- tion d'un interrupteur fiable à contact disposé à l'inté- rieur d'un aimant permanent, ce dernier étant à l'abri de tout champ de démagnétisation indépendamment de l'intensité du courant à interrompre. L'interrupteur selon l'invention est caractérisé par le fait que l'aimant permanent entoure l'un des contacts, et que ce dernier est raccordé électriquement au premier tra- jet externe du circuit d'amenée par un deuxième trajet in- terne conformé pour éviter tout champ de démagnétisation à l'intérieur de l'espace creux de l'aimant Le deuxième trajet du circuit d'amenée de courant comporte un rebord en U à section en épingle s'étendant le long de la face in- terne de l'aimant permanent, la circulation du courant s'effectuant en sens inverse dans les branches sensiblement parallèles de l'épingle Il en résulte qu'à l'intérieur de l'aimant, les champs magnétiques engendrés par le passage du courant dans les branches du U se compensent, sans aucun risque de désaimantation de l'aimant permanent. En utilisant un aimant permanent annulaire, le deuxième trajet du courant est formé avantageusement par une virole interne dont l'une des extrémités est raccordée au premier trajet externe et dont l'extrémité opposée est reliée à un tube ou manchon de support du contact, la virole interne étant agencée coaxialement entre l'aimant et le tube ou manchon. L'un des contacts entouré par un premier aimant permanent peut être fi-xe et présente une extrémité annulaire de con- tact disposée au voisinage (en saillie ou en retrait) de la face frontale antérieure de l'aimant Ce contact peut également être semi-fixe en étant relié à la virole interne par l'intermédiaire d'un contact glissant ou d'une pince de contact. L'autre contact mobile en translation traverse axialement un deuxième aimant permanent et est connecté électrique- ment à la virole interne correspondante du circuit par un contact glissant, le deuxième aimant étant disposé en re- gard du premier aimant et séparé de ce dernier par un in- tervalle axial prédéterminé. L'aimantation du/des aimants permanents peut être quel- conque, soit homopolaire radiale ou axiale, soit hétéro- pelaire L'enveloppe est remplie d'un gaz électronégatif tel que l'hexafluorure de soufre, et selon un développe- ment important de l'invention, le soufflage magnétique de l'arc par l'action du/des aimants permanents est combiné à un soufflage pneumatique par autoexpansion des gaz com- primés susceptible de s'échapper par les contacts creux. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention res- sortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un interrupteur à arc tournant selon l'invention, représenté en position de fermeture sur la demi-vue droite, et en position de coupure sur la demi-vue gauche; la figure 2 est une vue partielle, analogue à celle de la fig 1 d'une variante de réalisation; la figure 3 montre une vue en coupe axiale d'une autre réalisation. Sur la figure 1, un pôle d'un interrupteur 10 ou d'un dis- joncteur à arc tournant comporte une enveloppe 12 étanche en matériau isolant moulé, remplie de gaz 13 isolant à ri- gidité diélectrique élevée, notamment de l'hexafluorure de soufre L'enveloppe 12 cylindrique présente une forme allon- gée dont la partie supérieure est obturée par un fond 14 en matériau conducteur et à patte radiale conformée en plage 1 E d'amenée de courant A l'intérieur de l'enveloppe 12 sont disposés axialement un contact fixe 18 coopérant avec un contact mobile 20 aligné et monté à coulissement axial par l'intermédiaire d'une tige d'actionnement d'un méca- nisme de commande (non représenté). Le contact fixe 18 en forme de cylindre creux d'un diamètre équivalent à celui du contact mobile 20, est entouré co- axialement par un aimant permanent 22 annulaire et fixe. L'aimant permanent 22 à aimantation radiale engendre dans la zone d'arc un champ magnétique radial permanent provo- quant la rotation de l'arc lors de la séparation des con- tacts 18, 20 L'extrémité du contact fixe 18 se trouvant en aboutement avec le contact mobile 20 en position de fer- meture, fait saillie de la face frontale 24 antérieure de l'aimant permanent 22 Un circuit 26 d'amenée de courant assure la liaison électrique du contact fixe 18 avec un plot 28 central en matériau conducteur assujetti au fond 14-. Le circuit 26 d'amenée de courant au contact fixe 18 tubu- laire est formé par une carcasse conductrice annulaire de révolution autour de l'axe longitudinal et présentant un évidement 30 de logement de l'aimant permanent 22 La car- casse du circuit 26 est conformée en boucle entourant les quatre faces de l'aimant 22 permanent annulaire, et com- porte une base conductrice en cuivre à section en U consti- tuée à titre d'exemple par l'assemblage de deux viroles coaxiales interne 32 et externe 34 à une rondelle 36 annu- laire coiffant 11 face frontale 24 antérieure de l'aimant 22 La virole 34 externe est connectée au plot 28 central par une bague 38 conductrice s'étendant parallèlement à la face frontale 40 postérieure de l'aimant 22 avec interpo- sition d'une plaquette 42 ferrcmagnétique, par exemple en acier A l'opposé de la rondelle 36, la virole 32 interne, isolée de la bague 38 et du plot 28, est solidarisée à un tube 44 support du contact fixe 18 de manière à former un rebord 45 annulaire à section en épingle à U renversé, le- dit rebord 45 étant logé dans l'espace interne cylindrique de l'aimant permanent 22 La virole 32 interne se trouve intercalée coaxialement entre la face latérale cylindrique 46 interne de l'aimant 22 et le tube 44 en matériau métal- lique, notamment en cuivre ou en acier. Un manchon (non représenté) mince en matériau isolant peut être inséré axialement dans l'intervalle radial 48 du re- bord 45 renversé Le circuit 26 d'amenée de courant au con- tact fixe 18 forme avec l'aimant permanent 22 et le plot 28 un ensemble monobloc porté par le fond 14 L'aimant perma- nent 22 est constitué par un aimant en ferrite ou un aimant métallique, et une couche isolante (non représentée) peut être intercalée entre l'aimant 22 et la carcasse conduc- trice annulaire du circuit 26. On remarque que le circuit 26 d'amenée de courant au con- tact fixe 18 comporte un premier trajet à l'extérieur de l'aimant, connecté en série avec un deuxième trjet à l'in- térieur de l'aimant 22 annulaire Le premier trajet com- prend la bague 38, la virole externe 34 et la rondelle 36 qui recouvrent respectivement la plaquette 42 de la face frontale 40 postérieure, la face latérale cylindrique ex- terne 50, et la face frontale 24 antérieure de l'aimant permanent 22 Le deuxième trajet comporte le rebord 45 ren- versé formé par la virole interne 32 associée au tube 44 support du contact fixe 18. L'interrupteur selon la figure 1 fonctionne de la manière suivante En position de fermeture de l'interrupteur, représentée sur la demi-coupe droite de la fig 1, le courant rentre par la plage 16 associée au fond 14 et circule dans le plot 28 et le circuit d'amenée 26 au contact fixe 18 selon Le sens indiqué par les flèches Le trajet à pzrtir du plot 28 central est le suivant: bague 38, virole externe 34, rondelle 36, virole interne 32, tube 44, contact fixe 18 et contact mobile 20 en aboutement. Le courant parcourant la bague 38, la virole 34 et la ron- delle 36 du premier trajet externe ne traverse pas l'aimant permanent 22 annulaire et n'engendre aucun champ magné- tique susceptible de démagnétiser l'aimant 22 La virole 32 et le tube 44 du deuxième trajet interne sont séparés par le faible intervalle 48 radial et sont parcourus en sens axial contraire par le courant Il en résulte une com- pensation des champs magnétiques engendrés dans l'espace cylindrique interne de l'aimant 22 par le passage du cou- rant dans la virole 32 et le tube 44 L'aimant permanent se trouve ainsi à l'abri de tout champ de démagnétisation, meme en présence de courants de court-circuit de fortes in- tensités, par exemple supérieures à 20 k A. L'aimant permanent 22 engendre un champ magnétique présent en permanence dans la zone de coupure dès la séparation des contacts 18, 20 L'ouverture de l'interrupteur s'opère par coulissement vers le bas du contact mobile 20 (voir demi- coupe gauche de la fig 1), et l'arc tiré entre les con- tacts 18, 20 s'étend sensiblement dans la direction axiale. Le champ magnétique de l'aimant permanent 22 provoque d'une manière bien connue la rotation de l'arc sur les pistes annulaires des contacts 18, 20 creux Il est à noter que le dépassement axial du contact fixe 18 par rapport à la rondelle 36 de la carcasse conductrice assure le main- tien des racines d'arc sur les pistes annulaires des con- tacts 18, 20. La figure 2 représente une variante de réalisation, dans laquelle la longueur axiale du tube 4 t-t support du contact xe 18 est raccourcie de manière à positionner le contact fixe 18 en retrait ou au voisinage de la rondelle 36 En position de fermeture, le passage du courant dans le cir- cuit 26 d'amenée est identique à celui du dispositif de la fig 1, et aucun champ de démagnétisation n'affecte l'ai- mantation de l'aimant permanent 22 grâce au trajet axial aller et retour du courant dans la virole 32 et le tube 44. Au début de la course d'ouverture des contacts 18, 20 s'opère la commutation de l'arc du contact fixe 18 vers la rondelle 36, laquelle joue alors le rôle de piste annulaire de migration de l'arc tournant Après la commutation, le courant circule uniquement dans le premier trajet du cir- cuit 26 L'arc tourne dans le gaz SF 6 sous l'action du champ de l'aimant autour de la rondelle 36 et de l'extré- mité annulaire du contact mobile 20, la virole interne 32 et le tube 44 n'étant parcourus par aucun courant. La figure 3 illustre une autre variante de réalisation dans laquelle les mêrmes numéros de repère sont utilisés pour désigner des pièces identiques ou similaires à celles des figures 1 et 2 Le soufflage magnétique par rotation de l'arc est accompagné d'un double soufflage pneumatique dû à l'expansion thermique du gaz engendrant un écoulement ca- zeux s'échappant par les contacts tubulaires fixe 18 et mobile 20 La chambre de coupure 54 de l'interrupteur 10 est séparée de l'enveloppe 12 par un carter 56 intermé- diaire constitué par une paroi cylindrique coaxiale à l'en- veloppe 12, et des cloisons 58, 60 transversales d'obtura- tion La cloison 58 supérieure isolante est traversée axialement par le plot 28 fixe de forme tubulaire et à ouverture 62 radiale ménagée entre le fond 14 et la cloison 58 Le contact mobile 20 est solidaire d'un manchon 63 con- ducteur monté à coulissement axial à travers un orifice de la cloison 60 inférieure, ledit manchon 63 actionné par l'intermédiaire d'une tige de commande 64 traversant de manière étanche le fond 66 conducteur relié à une plage 68 de raccordement Le manchon 63 comporte des ouvertures 70 radiales agencées entre la cloison 60 et le fond 66. Le contact fixe 18 est entouré à l'intérieur de la chambre de coupure 54 par l'aimant permanent 22 annulaire et le circuit 26 d'amenée de courant tel que décrit en référence à la fig 1 L'arc tournant sous l'action du champ de - l'aimant 22 provoque d'une manière bien connue la montée en pression du gaz à l'intérieur de la chambre de coupure 54 Il en résulte un écoulement gazeux qui favorise l'ex- tinction de l'arc, l'échappement du gaz s'effectuant vers l'enveloppe 12 selon des sens inverses respectivement à travers le contact tubulaire fixe 18 et l'ouverture 62 du plot 28, et à travers le contact mobile 20 et les ouver- tures 70 du manchon 63. Le soufflage magnétique de l'arc peut être renforcé en uti- lisant dans le dispositif de la fig 3 un deuxième aimant permanent 72 entourant coaxialement le contact mobile 20 à l'intérieur de la chambre de coupure 54, et disposé en re- gard du premier aimant permanent 22 associé au contact fixe 18 Le deuxième aimant 72 est fixe et séparé -axiale- ment du premier aimant 22 par un intervalle prédéterminé correspondant sensiblement à la longueur axiale de la zone de coupure Le contact mobile 20 traverse le deuxième ai- mant permanent 72 annulaire, et est relié électriquement au fond 66 de la plage 68 de raccordement par l'intermé- diaire d'un circuit de liaison 74 agencé pour éviter la démagnétisation de l'aimant 72 Le circuit de liaison 74 est similaire au contact 26 d'amenée de courant au contact fixe 1 &, et comporte un contact glissant 76 ménagé au ni- veau de la cloison 60 entre le manchon 63 coulissant et une douille 75 conductrice coaxiale Le diamètre intérieur de la douille 76 correspond sensiblement au diamètre exté- rieur du manchon 63 avec interposition d'un jeu radial autorisant le coulissement axial bidirectionnel du manchon 63 A l'opposé du contact glissant 76, la douille 78 s'étend le long de la face latérale interne de l'aimant 72 et est raccordé électriquement à une boucle entourant l'aimant 72 La boucle est formée par une carcasse conduc- trice annulaire, de structure identique à celle associée à l'aimant 22 de la fig 1, et comprenant une rondelle 36 a, une virole externe 34 a, une bague 38 a Cette dernière est connectée à un tube conducteur 80 fixe en liaison élec- trique avec le fond 66, et traversant la cloison 60 infé- rieure selon une direction axiale de manière à entourer coaxialement la douille 78 et le manchon 63. Le fonctionnement de l'interrupteur 10 selon la fig 3 est le suivant: En position de fermeture représentée sur la demivue gauche, le parcours du courant dans le circuit d'amenée 26 au contact fixe 18 correspond à celui de l'interrupteur de la fig 1 Le courant passe du contact fixe 18 vers le con- tact mobile 20 et le manchon 63, puis son sens s'inverse dans la douille 78 après passage dans le contact glissant 76- Le courant circule ensuite dans la rondelle 36 a, la virole externe 34 a, la bague 38 a, le tube 80, le fond 66 et arrive à la plage de raccordement 68 On remarque que la circulation inverse du courant dans le contact mobile 20 et la douille 78 à l'intérieur de l'aimant 72 annulaire n'engendre aucun champ de démagnétisation susceptible d'affecter l'aimantation du deuxième aimant 72, Lors de la séparation des contacts 18, 20, l'extinction de l'arc est facilitée grâce au renforcement du champ magné- tique dans la zone de coupure, résultant de la somme des champs radiaux élémentaires des deux aimants 22, 72 Le soufflage magnétique est combiné à un soufflage pneumatique par expansion du gaz SF 6 à travers les contacts tubulaires 18, 20 en direction de l'enveloppe 12. Selon une variante (non représentée), le contact 18 au lieu d'être fixe pourrait être agencé de manière semi-fixe grace à l'adjonction d'un moyen élastique et d'une pince ou d'un contact glissant entre la virole interne 32 et le contact 18. Dans les dispositifs des fig 1 à 3, l'aimantation du/des aimants 22, 72 permanents annulaires est axiale, mais il est clair que la structure et l'aimantation de l'aimant peut être quelconque, notamment une aimantation hétéropo- leire ou radiale. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits, mais elle s'étend à toute autre variante restant dans le cadre des équivalences électrotechniques. REVENDICATIONS 1 Interrupteur ( 10) ou disjoncteur à arc tournant compre- nant: une enveloppe ( 12) étanche remplie de gaz isolant à rigi- dité diélectrique élevée, une paire de contacts ( 18, 20) séparables, un aimant permanent ( 22, 72) engendrant un champ magné- tique dans la zone de séparation des contacts pour imposer une rotation de l'arc, une paire de plages ( 16, 68) de raccordement en liaison électrique avec lesdits contacts, et un circuit ( 26, 74) d'amenée de courant agencé entre chaque plage ( 16, 68) et le contact ( 18, 20) correspondant, et comprenant'un premier trajet du courant à l'extérieur de l'aimant, caractérisé par le fait que l'aimant permanent ( 22, 721 en- toure l'un des contacts, et que ce dernier est raccordé électriquement au premier trajet externe du circuit d'ame- née ( 26, 74) par un deuxième trajet interne conformé tel que la somme des courants traversant l'aimant soit nulle pour éviter tout champ de démagnétisation à l'intérieur de l'espace creux de l'aimant. 2 Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le deuxième trajet du circuit ( 26, 74) d'amenée de courant comporte un rebord en U à section en épingle s' étendant le long de la face interne de l'aimant permanent ( 22, 72, la circulation du courant s'effectuant en sens in- verse dans les branches sensiblement parallèles de l'épingle. 3 Interrupteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'aimant permanent ( 22, 72) présente une forme annulaire et que le deuxième trajet du courant est formé par une virole ( 32, 78) interne dont l'une des extré- mités est raccordée au premier trajet externe et dont l'ex- trémité opposée est reliée à un tube ( 44) ou manchon ( 63) de support du contact ( 18, 20), la virole interne ( 32, 78) étant agencée coaxialement entre l'aimant ( 22, 72) et le tube ( 44) ou manchon ( 63 >. 4 Interrupteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que le U de l'épingle du deuxième trajet du courant est dirigé vers la zone de coupure, et que les con- tacts ( 18, 20) alignés selon la direction axiale de l'enve- loppe ( 12) cylindrique, présentent chacun un diamètre infé- rieur à celui de la virole interne ( 32, 78) correspondante. Interrupteur selon la revendication 2, 3 ou 4, caracté- risé par le fait que l'un ( 18) des contacts entouré co- axialement par un premier aimant permanent ( 22) creux est fixe, et présente une extrémité annulaire de contact dis- posée au voisinage de la face frontale ( 24) antérieure de l'aimant ( 22). 6 Interrupteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que l'un ( 18) des contacts entouré coaxialement par un premier aimant permanent ( 22) creux est semi-fixe, et que le tube support ( 44) associé au contact est relié à la virole interne ( 32) par l'intermédiaire d'un contact glissant ou d'une pince de contact. 7 Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que l'autre contact 20 mo- bile en translation traverse axialement un deuxième aimant permanent ( 72) et est connecté électriquement à la virole interne ( 75) correspondante du circuit ( 74) par un contact glissant ( 76), le deuxième aimant ( 72) étant disposé en re- gard du premier aimant ( 22) et séparé de ce dernier par un intervalle axial prédéterminé. 8 Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les premier et deuxième trajets du courant dans les circuits ( 26, 74) sont connec- tés en série pour former une carcasse conductrice fendue de révolution autour de l'axe longitudinal de l'enveloppe ( 12), ladite carcasse étant dotée d'an évidement annulaire de logement de l'aimant permanent ( 22, 72) correspondant. 9 Interrupteur à autoexpansion selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'enveloppe ( 12) étant subdivisée en une chambre de coupure et une chambre d'ex- pansion, caractérisé par le fait que l'un ou les deux contacts ( 18, 20) sont creux pour autoriser l'échappement vers la chambre d'expansion par l'action de l'arc tour- nant dans la chambre de coupure. Interrupteur selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait que l'aimant permanent ( 22, 72) associé au contact correspondant ( 18, 20) pré- sente une forme quelconque à aimantation homopolaire ra- diale ou axiale, ou une aimantation hétéropolaire,