Brevet FR2595865A1 — publié le 19870918

La présente invention concerne un interrupteur de circuit électrique et, plus particulièrement un dispositif magnétique d'entraînement de contact à haute vitesse. La demande de brevet américain n 41 PR-6431 ayant pour titre "High Speed Contact Driver for A Circuit Inter5 ruption Device"(Dispositif d'entraînement de contact a haute vitesse pour un dispositif d'interruption de circuit) décrit l'agencement d'un contact de pontage porté par une paire de conducteurs parallèles, espacés, et disposés entre une paire de contacts fixes pour la séparer rapidement de ceux-ci 10 lorsqu'une impulsion d'intensité élevée est appliquée aux extrémités opposées de ces conducteurs. L'agencement d'entraînement du contact des conducteurs espacés sépare rapidement le contact de pontage et les contacts fixes afin d'interrompre le courant aux tout premiers stades de la forme 15 d'onde du courant. Cependant, la durée de la séparation des contacts est limitée par l'échauffement des conducteurs espaces. Depuis lors, on a constaté qu'on peut prolonger la durée de la séparation des contacts au moyen d'un dispositif 20 magnétique d'entraînement de contact en combinaison avec le dispositif d'entraînement du contact des conducteurs espacés. Bien que l'excitation simultanée du dispositif d'entraînement du contact des conducteurs espacés et du dispositif magnétique d'entraînement de contact augmente le taux 25 d'accélération du contact de pontage pour permettre l'interruption du circuit dans les tout premiers stades de la forme -2 d'onde du courant, on peut utiliser le dispositif d'entraînement magnétique seul pour obtenir tant une ouverture à haute vitesse qu'une plus grande durée de la séparation. L'utilisation, en soi, d'une armature commandée 5 par solénoYde pour provoquer la séparation entre un contact de pontage et une paire de contacts fixes afin d'obtenir une interruption à haute vitesse d'un circuit fait l'objet d'une description dans le brevet des Etats-Unis 3 407 368. Ce brevet décrit une armature commandée par solénoïde pour 10 provoquer la séparation entre un contact de pontage et une paire de contacts fixes à l'intérieur d'un disjoncteur de circuit de limitation de courant. L'armature tubulaire décrite dans ce brevet a la même longueur qu'une pièce développant un champ magnétique pour entraîner l'armature à 15 l'encontre de la sollicitation d'un ressort de contact du type compression. L'utilisation d'un ressort de contact à compression et la disposition suivant la même longueur de la pièce développant le champ et de l'armature font de l'agencement de ce brevet qu'il est trop lent pour provoquer une 20 interruption du circuit sans production d'arcs. Comme cela est décrit dans la demande de brevet citée ci-dessus pour que l'interruption du circuit se produise sans formation d'arcs, il y a lieu de cesser la relation dans le circuit entre le contact de pontage et les 25 contacts fixes de passage du courant dans le temps le plus court possible de manière à limiter la valeur du courant qui doit être contrôlée par un moyen électronique auxiliaire tel que l'interrupteur de circuit à corps solide décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 610 947 30 déposée le 16 mai 1984 et ayant pour titre "Solid State Current Limiting Interrupteur" (Interrupteur limiteur de courant à corps solide) par exemple. L'actionneur magnétique de cette demande de brevet est une amélioration importante de dispositifs de l'art antérieur car il accélère l'inter35 ruption de la connexion électrique entre le contact de -3 pontage et les contacts fixes et la rend plus rapide que celle des dispositifs dont on disposait antérieurement. Selon- la présente invention, un actionneur magnétique de contact provoque l'entraînement d'un contact de 5 pontage pour cesser sa liaison électrique avec une paire de contacts fixes. Un ressort de compression placé à un côté du contact de pontage maintient ce contact en bonne liaison électrique avec les contacts fixes. Une variante de réalisation utilise un dispositif d'entraînement du contact de 10 conducteurs parallèles qui est mis en oeuvre simultanément à l'actionneur magnétique pour provoquer une accélération extrêmement rapide du contact. L'actionneur magnétique est monté sur le côté opposé du contact de pontage afin de rompre la liaison électrique de ce contact avec les contacts 15 fixes à l'encontre de la sollicitation exercée par le ressort de compression sur le contact. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue de côté, partiellement en coupe, 20 d'un agencement de contacts utilisant l'actionneur magnétique selon la présente invention; figure 2, une vue de dessous de l'actionneur magnétique décrit en figure 1; figure 3, une vue en perspective de dessus, par25 tiellement en coupe, de l'actionneur magnétique décrit en figure 2; figure 4, une vue en bout, à grande échelle, de l'actionneur magnétique de la présente invention, illustrant le sens des lignes de force magnétiques induites dans cet 30 actionneur; figure 5, un graphique représentant le déplacement du contact de pontage en fonction du courant d'entraîement et du temps; figure 6, une vue de côté, partiellement en coupe, 35 d'une variante d'agencement des contacts qui utilise l'ac- tionneur magnétique selon la présente invention; et figure 7, une vue de côté, partiellement en coupe, d'un autre mode de réalisation d'un agencement de contacts utilisant l'actionneur magnétique selon la présente inven5 tion. En liaison avec la figure 1, comme cela est décrit dans les demandes de brevets citées ci-dessus, un interrupteur de circuit 10 permettant une rupture extrêmement rapide d'un circuit comporte un agencement constitué d'une paire de 10 conducteurs 11, 12, se terminant par une paire correspondante de contacts fixes 13, 14. Un contact de pontage 15 est porté par un dispositif 16 d'entraînement de contact à conducteurs espacés qui comprend une paire de fils parallèles espacés 17, 18 disposés à l'intérieur de l'entrefer 23 15 d'une structure magnétique 19. La liaison électrique avec le dispositif d'entraînement de contact s'effectue à une extrémité opposée au moyen d'une paire de bornes 20, 21. Les bornes sont disposées sur un côté d'un bloc isolant 22 qui est fixé à un montant de support 25 au moyen d'une vis 24. 20 La partie inférieure du montant de support 25 est fixée au conducteur 12 au moyen d'une vis 26. Lorsqu'une impulsion d'intensité élevée de courte durée est appliquée aux conducteurs par l'intermédiaire des bornes 20, 21, les fils parallèles espacés 17, 18 se repoussent électrodynamiquement et 25 cette répulsion provoque l'élévation du contact de pontage et son éloignement des contacts fixes, comme cela est représenté par le trait mixte. Pour minimaliser le courant et l'énergie de l'arc se produisant entre le contact de pontage 15 et les contacts fixes 13, 14 lors de la séparation, 30 celle-ci doit être la plus courte possible. Le temps minimum de séparation des contacts est obtenu avec un fonctionnement dans lequel l'impulsion de courant est la plus élevée possible ayant la durée la plus courte possible et avec des fils ayant le diamètre le plus petit qui soit compatible 35 avec le maintien de leur résistance mécanique pendant l'au- - 5 gmentation de température provoquée par l'impulsion de courant. Ainsi, le dispositif d'entraînement du contact des conducteurs espacés présente par inh6rence une limitation thermique de la durée pendant laquelle le courant peut être 5 maintenu dans les fils pour soutenir la séparation entre le contact de pontage et les contacts fixes. Pour augmenter la durée de la séparation entre le contact de pontage et les contacts fixes, un actionneur magnétique 28 est disposé sur le côté du contact de pontage qui est opposé au dispositif 10 d'entraînement 16. L'actionneur magnétique comprend un stator 29, dans lequel une spire de fil 30 suit un trajet convoluté à l'intérieur d'encoches ménagées dans un matériau magnétique, par exemple en ferrite ou constitué d'une multitude de tôles magnétiques 35, et une armature magnétique 15 plate 33 qui agit sur un axe d'entraînement 32 se terminant par un manchon isolé 27 passant par un trou 34 pratiqué dans le stator. Une paire de bornes 36, 37 de l'actionneur magnétique permet de faciliter le raccordement aux extr6mit6s du fil de cuivre. En figure 2, on a représenté l'actionneur magnétique 28 dont on a enlevé l'armature plate 33, cette figure faisant ressortir la spire de fil 30, laquelle peut être constituée d'une spire convolutée de fil de cuivre de gros diamètre ou de plusieurs spires de fil de petit diamètre, le 25 fil étant disposé sous forme de labyrinthe à l'intérieur d'encoches ménag6es dans la surface du stator, avec le trou 34 destiné à l'axe d'entraînement dispos6 transversalement au labyrinthe afin de permettre un mouvement transversal de l'axe 32. Les tôles magnétiques 35 comportent des encoches 30 de manière à recevoir la spire de fil et sont liées pour donner un empilage unique avec les encoches formant une rainure de labyrinthe 46 destinée à recevoir la spire 30 à l'intérieur des tôles 35. Les encoches 46 des tôles et l'agencement transversal du trou 34 de réception de l'axe 35 d'entraînement se voient le mieux en liaison avec la vue en -6 coupe de la figure 3 dans laquelle on a enlevé l'armature et l'axe d'entraînement. Le sens du champ magnétique à l'intérieur de l'actionneur 28 est décrit en figure 4 dans laquelle on a 5 représenté une tôle 35 dans sa disposition par rapport à l'armature plate 33. La spire de fil 30A se trouvant à l'intérieur de l'encoche 46A en labyrinthe est représentée avec le sens du courant entrant dans le plan de la feuille de papier et la largeur de l'encoche est indiquée par la 10 cote DA. Les lignes de force magnétiques 47 produites l'intérieur de la tôle autour de la spire 30A sont orientées dans le sens des aiguilles d'une montre comme cela est indiqué et les lignes de force magnétiques 48 produitent autour de la spire 30B ont le sens inverse des aiguilles 15 d'une montre. Un flux de dispersion 49 à l'avant de l'encoche 46A s'étend partiellement à l'intérieur de l'entrefer 51 séparant l'armature plate 33 et la tôle magnétique. Un flux de dispersion similaire 50 à l'avant de l'encoche 46B s'étend en partie à l'intérieur de l'encoche, comme cela est 20 représenté. L'agencement parallèle du plan de l'armature plate et du plan des tôles magnétiques constitue une caractéristique importante de la présente invention. Comme on peut le remarquer par les directions des lignes de force 47, 48, celles-ci se combinent de manière additive dans la zone 25 52 de l'armature plate et dans la zone 53 définie à l'intérieur des tôles entre les encoches contiguës. On voit que la force d'attraction F s'exerçant entre l'armature plate et les tôles qui correspond aux lignes de force se concentre dans les zones 52, 53. L'agencement permet avantageusement 30 le développement d'un flux magnétique élevé à l'intérieur de tôles relativement fines et à l'intérieur d'une armature plate d'une épaisseur relativement faible sans atteinte de la saturation magnétique. Cela permet à l'actionneur magnétique de trouver une nouvelle application en dehors du 35 domaine des disjoncteurs dans lesquels il doit y avoir une réponse linéaire rapide à une impulsion électrique, comme par exemple dans la photographie extrêmement rapide et l'impression par jet d'encre. Un flux marginal relativement négligeable se produit lorsque la largeur DA, DB des 5 encoches est approximativement le double de l'épaisseur d de l'entrefer 51 séparant les tôles magnétiques et l'armature plate. On peut faire fonctionner l'interrupteur de circuit 10, en se reportant à la figure 1, dans diverses con10 ditions. Le dispositif 16 d'entraînement de contact à conducteurs espacés et l'actionneur magnétique 28 peuvent être, le cas échéant, mis en oeuvre indépendamment l'un de l'autre. Un courant peut être maintenu dans l'actionneur magnétique, sans en provoquer un échauffement excessif, avec 15 une intensité suffisante pour maintenir le contact de pontage séparé des contacts fixes pendant une durée suffisamment longue pour permettre à un interrupteur auxiliaire ayant une vitesse normale, monté en série avec les conducteurs 11 et 12, d'ouvrir et d'isoler le circuit. Dans le cas 20 d'une interruption de circuit extrêmement rapide, on peut mettre simultanément sous tension le dispositif d'entalnement de contact et l'actionneur magnétique en appliquant une impulsion de courant aux bornes 20, 21 du dispositif d'entraînement de contact et aux bornes 36, 37 de l'actionneur 25 magnétique. On peut remplacer les fils paralleles espaces 17, 18 par une paire de fils élastiques ayant la même forme, mais soumis a l'action d'un ressort de compression entre le bloc isolant 22 et les contacts fixes afin de fournir une force de fermeture des contacts entre les contacts fixes et 30 mobile qui réduise leur résistance. La durée de l'impulsion de courant électrique appliquée à l'actionneur magnétique 28 déterminera alors tant la vitesse d'ouverture que la durée de séparation entre le contact de pontage et les contacts fixes afin d'assurer qu'ils restent séparés jusqu'a l'ouver35 ture de l'interrupteur auxiliaire pour couper le circuit. - 8 - 2595865 En figure 5, on a illustré la relation temporelle entre le déplacement 38 du contact de pontage et la valeur 39 en ampères de l'impulsion du courant d'excitation appliquée à l'actj.onneur magnétique 28, fonctionnant seul sans le 5 dispositif d'entraînement des conducteurs espacés. On remarque qu'il faut un certain temps pour que l'impulsion de courant atteigne une valeur maximum prédéterminée et qu'un certain temps supplémentaire est nécessaire pour que l'armature et l'axe d'entraînement répondent à cette impulsion. 10 Pour Un déplacement de l'armature et de l'axe d'entraînement d'un dixième de millimètre, par exemple, un temps d'environ 100 microsecondes est impliqué. Le déplacement rapide de l'armature et de l'axe d'entraînement se traduit par une séparation rapide correspondante du contact 15 et des con15 tacts fixes 13, 14, ce qui permet d'interrompre le courant passant entre les contacts fixes dans les tout premiers stades de la forme d'onde du courant de sorte que la quantité du courant de commutation se trouve sensiblement réduite. En figure 6, on a représenté un interrupteur simplifié de circuit 40, dans lequel le contact de pontage 15 est disposé entre les contacts fixes 13, 14, et l'actionneur magnétique 28 est monté sur le côté opposé du contact de pontage. Une tige de support 41 est placée à l'intérieur 25 d'un ressort de compression 42 et l'une de ses extrémités est fixée au contact de pontage 1, la tige pouvait coulisser à l'intérieur d'un trou 43 ménagé à l'intérieur d'un boulon 44 de maintien du ressort de compression contre le contact de pontage afin de fournir une force de fermeture de contact 30 entre les contacts fixes et le contact de pontage. Le boulon est vissé dans un trou fileté dans le bloc isolant 22 et fixé par un écrou 45, cet agencement permettant de régler la compression exercée sur le contact de pontage. Le fonctionnement de l'actionneur magnétique 28 provoque l'entraînement 35 du contact de pontage et l'interruption de sa liaison élec- -9 -2595865 trique avec les contacts fixes de la même manière qu'on l'a décrit antérieurement pour l'interrupteur de circuit de la figure 1. En figure 7, on a décrit un interrupteur de con5 tacts 54 à action rapide, les conducteurs 11, 12 étant fixés a un support isolant 55 au moyen de boulons 56. Le stator 29 de l'actionneur magn6tique est disposé à l'intérieur d'une l'ouverture 60 définie par le support isolant, et l'armature plate 33 est fixée directement au contact de pontage 15 par 10 soudage ou brasage. La pression entre le contact de pontage et les extrémités façonn6es 61, 62 des conducteurs est fournie par un ressort de tension 59 fixé au contact de pontage au moyen d'un collecteur 58. Les contacts fixes sont les extrémités façonnées des conducteurs. L'agencement 15 compact formé par le stator, le contact de pontage et l'armature plate permet d'enfermer l'interrupteur de circuit dans une enceinte étanche sous vide, ou remplie d'un gaz diélectrique. Avec cet agencement remplaçant celui utilisé dans les actionneurs magnétiques d6crits en figures 1 et 6, 20 l'armature plate sera attirée immédiatement vers le stator supportant un contact de pontage, d'o l'interruption simultanée de la liaison électrique avec les conducteurs. Dans le cas o l'enceinte 63 entourant le contact de pontage et les extrémités façonnées des conducteurs serait sous vide, le 25 contact de pontage ne devrait être séparé des extrémités façonnées que de quelques dizièmes de millimètre pour rompre le liaison électrique sans craindre la formation d'arcs. L'environnement constitué d'un gaz diélectrique sous vide permet également de protéger le contact de pontage et les 30 extrémités façonnées des conducteurs contre l'oxydation dans le cas o l'on utilise de l'aluminium, du nickel, du laiton ou du cuivre pour réaliser le contact de pontage et les conducteurs eux-mêmes. On vient donc de montrer qu'on peut utiliser un 35 actionneur à réponse extrêmement rapide, comportant une - 10 - 2595865 armature plate à proximité d'un stator plan à l'intérieur d'interrupteurs de circuit et autres dispositifs de commutation, lorsque les dimensions, la vitesse et les considérations économiques constituent des facteurs importants. - 11 REVENDICATIONS 1. Interrupteur de circuit, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de contacts fixes (13, 14) et un contact 5 de pontage (15) disposés pour provoquer la rupture électrique du trajet électrique entre les contacts fixes; et un actionneur magnétique (28) agencé de manière à déplacer le contact de pontage et interrompre le trajet électrique, cet actionneur comportant un stator (29) en 10 matériau magnétique présentant des encoches (46) avec un conducteur métal].ique (30) placé dans les encoches du matériau magnétique et une armature magnétique plate (33) s'étendant à proximité du conducteur et des encoches, l'armature étant disposée près du contact de pontage afin de 15 l'écarter des contacts fixes et interrompre le trajet électrique lorsqu'une première impulsion de courant est appliquée aux extrémités opposées (36, 37) du conducteur métallique. 2. Interrupteur de circuit selon la revendication 20 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une paire de conducteurs espacés en étant parallèles (17, 18) supportant le contact de pontage (15) à partir d'un côté opposé, les cotnducteurs électriques étant disposée de manière a se repousser électrodynamiquement sous l'effet de l'excitation 25 due à une seconde impulsion de courant afin d'écarter le contact de pontage pour l'éloigner des contacts fixes (13, 14). 3. Interrupteur de circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première impulsion de courant 30 est appliquée aux extrémités (36, 37), du conducteur en même temps que la seconde impulsion de courant l'est à la paire de conducteurs (17, 18) de manière à acclérer encore la séparation du contact de pontage (15) et des contacts fixes (13,14). 4. Interrupteur de circuit selon la revendication - 12 - 2595865 1, caractérisé en ce que le matériau magnétique est constitué d'une multitude de tôles magnétiques. 5. Interrupteur de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un 5 ressort de contact (42) disposé sur un côté opposé du contact de pontage afin de maintenir ce contact en liaison électrique avec les contacts fixes (13, 14). 6. Interrupteur de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur métallique (30) est 10 disposé par rapport au matériau magnétique en formant un labyrinthe. 7. Interrupteur de circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que le conducteur métallique (30) forme un circuit convoluté dans le môme plan, et en ce qu'un trou 15 (34) est ménagé dans le matériau magnétique à proximité du centre de ce trajet. 8. Interrupteur de circuit, caractérisé en ce qu'il comprend: une paire de conducteurs électriques séparés (11, 20 12) et un contact de pontage (15) agencés pour interrompre électriquement le trajet électrique entre les conducteurs; et un actionneur magnétique (28) disposé de manière à écarter le contact de pontage pour l'éloigner des conduc25 teurs afin d'interrompre le trajet électrique, cet actionneur comportant un stator plan (29) en un endroit opposé à une armature plane (33), l'armature étant fixée au contact de pontage. 9. Interrupteur de circuit selon la revendication 30 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un ressort (42) fixé au contact de pontage (15) pour fournir une force de fermeture entre la paire de conducteurs électriques séparés et le contact de pontage. 10. Interrupteur de circuit selon la revendication 35 8, caractérisé en ce que le contact de pontage, les conduc- - 13 - 2595865 teurs électriques séparés, et l'actionneur magnétique sont enfermés dans une enceinte étanche(63). 11. Interrupteur de circuit selon la revendication , caractérisée en ce que l'enceinte est sous vide. 12. Interrupteur de circuit selon la revendication , caractérisé en ce que l'enceinte renferme un gaz isolant. 13. Actionneur magnétique pour fournir un mouvement d'impact sous la commande d'une impulsion électrique, caractérisé en ce qu'il comprend: un stator plan (29) disposé dans un premier plan; une armature plane sous forme de plaque (33) disposée à proximité du stator dans ce même plan; un conducteur continu (30) placé sur le stator suivant un trajet en labyrinthe; un moyen définissant une ouverture (34) dans le stator perpendiculairement au premier plan; et un axe d'entraînement (32) à l'intérieur de l'ouverture et disposé de manière à être en contact avec l'armature plate lorsqu'une impulsion de courant est appliquée au 20 conducteur continu. 14. Actionneur magnétique selon la revendication 13 pour la fourniture d'un mouvement sous le commande d'une impulsion électrique, caractérisé en ce que le stator (29) comporte une multitude de tôles magnétiques présentant des 25 encoches (46), les tôles étant disposées de manière à définir un trajet en labyrinthe à l'intérieur du premier plan. 15. Actionneur magnétique selon la revendication 13 pour la fourniture d'un mouvement sous la commande d'une impulsion électrique, caractérisé en ce que l'axe d'entraî30 nement (32) est fixée à l'armature plate (33). 16. Interrupteur de circuit, compact, a haute vitesse, caractérisé en ce qu'il comprend: un contact de pontage (15) placé à proximité d'une paire de conducteurs sépar6s (11, 12) pour fermer et inter35 rompre le trajet électrique entre ces conducteurs séparés; - 14 un stator (29) disposé dans un premier plan à proximité du contact de pontage et des conducteurs séparés, le stator comprenant une multitude de tôles définissant une encoche en labyrinthe (46) avec un conducteur métallique (30) disposé à l'intérieur de l'encoche; et une armature magnétique plate (33) disposée dans le premier plan entre le stator et les conducteurs séparés, le contact de pontage étant fixé à un côté de l'armature afin d'être écarté des conducteurs séparés lorsqu'une impul10 sion électrique est appliquée au conducteur métallique. 17. Interrupteur de circuit selon la revendication 16, caractérisé en ce que le stator, l'armature et les conducteurs séparés sont enfermés dans une enceinte sous vide (63). 18. Interrupteur de circuit selon la revendication 16, caractérisé en ce que le stator, l'armature et les conducteurs séparés sont disposés à l'intérieur d'une enceinte remplie d'un gaz diélectrique. 19. Interrupteur de circuit selon la revendication 20 18, caractérisé en ce que le gaz est SF6.