Brevet FR2779567A1 — publié le 19991210

i Sous-ensemble magnétique optimisé La présente invention concerne un sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur, ainsi qu'un disjoncteur incorporant un tel sous-ensemble. Les disjoncteurs de protection de ligne comportent généralement, dans un boîtier modulaire à coques en plastique, un circuit s'étendant entre deux bornes et comprenant un bilame de déclenchement thermique pour la protection de la ligne contre les surcharges et, entre une borne et un contact fixe, un organe électromagnétique de disjonction ou déclencheur magnétique souvent regroupé avec ces deux composants pour former un sous-ensemble magnétique. Le déclencheur magnétique comprend essentiellement une bobine avec un noyau mobile, associés à un percuteur pour assurer, en cas de surintensité, la disjonction par ouverture d'un contact mobile coopérant avec un contact fixe. Dans la plupart des cas, le déclencheur comprend plus précisément une bobine à induction montée longitudinalement dans une culasse magnétique, et entourant ledit noyau mobile associé au percuteur et à un noyau fixe, un ressort de rappel disposé entre les noyaux venant compléter le montage. Ce ressort permet notamment de rappeler le noyau mobile en position de repos, percuteur en position inactive, c'est-à-dire à distance de la serrure mécanique permettant l'ouverture des contacts par basculement du contact mobile. La culasse est constituée d'une tôle en matériau magnétique entourant en général la bobine pour canaliser correctement les lignes de champs produites, lorsque la bobine est parcourue par un courant. De part et d'autre de ladite bobine, selon une direction axiale, la culasse comporte des flancs en regard l'un de l'autre, dont l'un est muni du noyau fixe, et au niveau desquels sont en général disposés les autres éléments du sous- ensemble magnétique, c'est-à-dire respectivement une des bornes de connexion du disjoncteur et le contact fixe. Les sous-ensembles magnétiques ainsi montés en une seule pièce sont ensuite disposés dans une partie de la coque plastique du boîtier, au moment de l'assemblage du disjoncteur. Comme leur fonction le laisse supposer, ces sous-ensembles magnétiques sont des éléments essentiels des disjoncteurs, et leur conception fait par conséquent l'objet d'un soin particulier, ainsi que de nombreux tests destinés à éprouver la validité des solutions préconisées. La fonction principale étant liée à l'existence de surintensités brutales, certains de ces tests sont bien entendu réalisés dans différentes configurations de court-circuits, ou à tout le moins avec des courants égaux à plusieurs fois la valeur du courant nominal, pour lesquels les performances du sous-ensemble magnétique sont mesurées. Pendant ces périodes de fonctionnement extrêmes, un des paramètres sur lesquels porte notamment et de manière particulièrement rigoureuse le contrôle est la force d'arrachage des contacts. Le but de ces contrôles, et des ajustements qui en résultent, est d'affiner les conditions de déclenchement de la serrure mécanique par un meilleur contrôle du déclencheur électromagnétique et de la force véhiculée par le percuteur. L'échauffement des différentes parties du sous-ensemble magnétique est également un paramètre sensible, pour lequel des test à courant nominal ou légèrement supérieur sont effectués, dans le but de le diminuer autant que possible. Il s'agit également des objectifs principaux de la présente invention, qui vise globalement à optimiser la conception des sous-ensembles magnétiques équipant les disjoncteurs, notamment mais non exclusivement aux fins précitées. Selon un objectif additionnel, cette optimisation doit être réalisée sans changer les conditions d'installation dudit sous-ensemble magnétique dans les coques formant le boîtier du disjoncteur. En d'autres termes, l'encombrement global qui lui est alloué dans le boîtier reste le même. L'optimisation objet de l'invention, qui permet notamment aux disjoncteurs de satisfaire aux normes en vigueur aux Etats-Unis d'Amérique, s'exerce de plus dans toutes les directions possibles, et concerne aussi bien le choix des matériaux que la forme des composants ou des considérations de fabrication. La présente invention s'applique donc à un sous-ensemble magnétique d'un appareillage électrique modulaire du type disjoncteur, composé d'une part d'une bobine à induction associée à un noyau mobile avec percuteur et ressort de rappel disposés dans une gaine isolante, ladite bobine étant montée longitudinalement dans une culasse présentant deux flancs en regard l'un de l'autre, le premier flanc étant muni d'un noyau fixe dans lequel est guidé le percuteur, et d'autre part d'un contact fixe auquel est relié une première extrémité de la bobine et d'une borne de connexion au disjoncteur à laquelle est reliée la seconde extrémité de la bobine, caractérisé en ce que le flanc de la culasse disposé du côté de l'extrémité de la bobine prévue pour être reliée au contact fixe est dimensionné pour pouvoir être au moins partiellement intégré dans le volume intérieur de la bobine afin d'absorber d'éventuelles variations dimensionnelles axiales de celle-ci, dont l'extrémité correspondante est orientée pour que sa fixation au contact fixe, dont la position relativement à la culasse est fixée, permette de rattraper le jeu axial de la bobine. II s'avère en effet que, à la fabrication, les bobines peuvent présenter une dispersion dimensionnelle axiale qui peut aller jusqu'à plus de lmm, alors que la culasse est fabricable de manière beaucoup plus précise, du fait de sa nature même, à savoir une tôle simplement pliée suivant une géométrie particulière. La bobine a également fait l'objet de modifications dans le cadre de la présente invention, comme on le verra plus en détail dans la suite, mais son nombre de spires minimal est imposé, pour conserver les ampère-tours nécessaires à la force d'arrachage des contacts. La section du fil étant notamment importante dans les calibres de disjoncteurs auxquels 1 5 s'applique de préférence l'invention (50-63 A), et ceci n'étant pas modifiable, une dispersion dimensionnelle lors de la fabrication est quasi inévitable. Pour des raisons d'optimisation de la fabrication, une seule configuration géométrique de culasse est produite, bien entendu dotée du perfectionnement de l'invention. Cette culasse comporte deux flancs d'extrémité au niveau desquels sont respectivement fixés une borne de connexion et le contact fixe, qui se présente sous la forme d'une lame métallique sur laquelle est rapportée une pastille à l'endroit précis du contact avec le contact mobile. Ce contact fixe présente, selon l'invention, un prolongement pour sa fixation axiale au flanc de la culasse, muni par conséquent d'un orifice pour loger l'extrémité du noyau fixe, et dont la périphérie est enfin également dimensionnée de façon à pouvoir être partiellement intégré dans le volume intérieur de la bobine, à proximité de l'extrémité de celle-ci. Le noyau polaire fixe est donc intégré d'une part à un flanc de la culasse, et d'autre part au contact fixe dont le prolongement en question est coaxial audit flanc. Ce prolongement souscrit par ailleurs aux mêmes caractéristiques que ce flanc, et facilite le montage de toutes les bobines issues de la fabrication en série. De plus, I'extrémité de la bobine à relier au contact fixe est orientée suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe de la bobine, et fixée sur une patte du contact fixe située à proximité immédiate de la pastille de contact équipant ledit contact fixe, ladite patte présentant à cet effet une surface d'allure parallèle à ladite extrémité. L'orientation de ladite extrémité permet de réaliser la connexion de la même manière quel que soit l'encombrement de la bobine, ce qui représente un nouvel avantage important au niveau de la fabrication. Le fait que cette connexion soit effectuée à proximité immédiate du contact fixe minimise l'échauffement. Toujours dans l'optique de réduire l'échauffement, la section du fil électrique formant la bobine d'induction est d'allure rectangulaire, avec une épaisseur radiale inférieure à la largeur axiale pour augmenter d'une part le volume intérieur enclos par ladite bobine et diminuer d'autre part la longueur de fil nécessaire pour une même longueur de bobine. Comme on le verra dans la suite, cette mesure a également une conséquence directe sur le contrôle de la force d'arrachage des contacts. Selon une configuration améliorant encore l'effet de réduction calorique, la section d'allure rectangulaire du fil étant conservés, la largeur 1 5 axiale du fil peut encore être augmentée si l'on procède à une diminution d'épaisseur de la tôle formant la culasse, dont le volume externe reste cependant inchangé. Le sous-ensemble magnétique doté de ces améliorations peut toutefois toujours être implanté dans les mêmes coques ou portion de coques que ses devanciers. La conséquence directe de l'augmentation du volume enclos par la bobine est qu'il est corollairement possible d'augmenter la longueur du diamètre des noyaux fixe et mobile, qui sont les pièces polaires générant la force de séparation des contacts. D'autre part, selon l'invention, la culasse a une forme en U, le bras reliant les deux flans d'extrémité étant du même côté de la bobine que le contact fixe et la borne de connexion. Cette forme permet d'aboutir à un volume de matériau magnétique constituant un bon compromis entre ceux qui conduiraient aux meilleures performances pour les courants de court-circuit très élevés, et ceux qui sont plus adaptés aux courants de court-circuit plus faibles. Comme mentionné auparavant, des tests sont effectués pour différents courants de court-circuit possibles, allant de valeurs très élevées procurant une saturation complète de la culasse quels que soient sa forme et son matériau, à des valeurs plus basses pour lesquelles ces paramètres ont une importance très grande. La forme en U canalise correctement les lignes de champs-magnétique aux valeurs d'essais plus faibles (180 A, 300 A) ce qui permet notamment d'utiliser un ressort de raideur plus faible. Elle est en revanche très performante à la saturation, et garantit les limites de non déclenchement précitées pour les courants moyens. Selon une possibilité, I'extrémité du bras reliant les flancs de la culasse située du côté de la borne de connexion comporte une encoche latérale prévue pour fixer la seconde extrémité de la bobine à ladite borne sans qu'il y ait contact avec la culasse. Ladite extrémité est orientée dans un plan perpendiculaire à l'axe de manière à sortir tangentiellement de l'enroulement formant ladite bobine. Les deux extrémités de la bobine sont donc sensiblement perpendiculaires l'une à l'autre, et prévues pour faciliter leur fixation respectivement à la borne de connexion et au contact fixe, en combinaison avec la forme particulière de la culasse et de ces éléments. De préférence, I'extrémité de la bobine côté borne est fixée à une patte prolongeant la partie supérieure de la borne de connexion, présentant une 1 5 surface d'allure perpendiculaire à l'axe de la bobine, la fixation se faisant au niveau de ladite encoche. Cette configuration permet de rattraper un jeu perpendiculaire au plan médian longitudinal du boîtier du disjoncteur, s'il en est besoin. Selon une variante, I'extrémité de la bobine est orientée axialement de manière à sortir de la culasse au niveau de ladite encoche, la fixation à la borne de connexion se faisant à l'extérieur du volume entouré par la culasse. La culasse est en outre prévue en un matériau qui dépend notamment du choix du ressort. Ainsi, elle est en cuivre ou en acier, le ressort de rappel du noyau étant par exemple prévu avec une force plus faible dans le premier cas. Cette caractéristique souligne à quel point les ajustements effectués sur certains paramètres sont étroitement liés aux possibilités offertes par d'autres paramètres, le but étant toujours d'aboutir au meilleur compromis possible, ce qui exige des essais multiples et variés. Selon l'invention, le noyau est de préférence en acier, matériau plus magnétique que le laiton généralement utilisé jusqu'ici pour les fortes intensités nominales, et qui contribue à l'amélioration du contrôle de la force de séparation des contacts. L'invention a aussi pour objet un disjoncteur caractérisé en ce qu'il comprend un sous-ensemble magnétique tel que décrit auparavant. L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures présentées en annexe, pour lesquelles: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée des différents composants du sous-ensemble magnétique selon l'invention; - les figures 2 et 3 représentent des perspectives de sous-ensemble assemblé vues selon des angles différents; la figure 4 est une vue en élévation de face dudit sous-ensemble; et - la figure 5 représente un détail agrandi du flanc permettant le débordement de la bobine. Dans les différentes figures, les composants sont désignés par les mêmes références. Ainsi, en figure 1, les éléments centraux du sous- ensemble magnétique sont la bobine (1) et la culasse magnétique (2), à l'intérieur desquels se trouvent le noyau mobile (3), le noyau fixe (4), le percuteur (5) et le ressort de rappel (6), ces derniers éléments étant disposés à l'intérieur d'une gaine isolante (7). La culasse (2) comporte elle-même des flancs d'extrémité (8, 9), reliés par un bras axial (10) muni d'un décrochement (11) au voisinage du flanc (9), au niveau duquel prend place l'extrémité droite (12) de la bobine (1). Celle-ci est d'allure tangentielle à ladite bobine (1), et sensiblement perpendiculaire à l'autre extrémité droite (13), qui se développe plutôt dans une direction axiale. Le flanc (8) est doté d'une forme telle que son insertion est possible à l'intérieur du volume de la bobine (1), comme cela sera montré plus en détail dans la suite. Sur sa face externe est placé un prolongement (14) du contact fixe (15) de forme partiellement similaire audit flanc (8), et sur lequel est rapportée une pastille (16) à l'endroit précis du contact avec le contact mobile (non représenté). Le contact fixe (15) comporte en outre une patte (17) offrant une surface externe d'allure parallèle à l'axe longitudinal du sous-ensemble magnétique, sur laquelle se fixe l'extrémité droite (13) de la bobine (1). L'autre flanc (9) est situé à proximité de la borne de connexion (18), laquelle est prolongée par une patte (19) présentant une surface d'allure perpendiculaire audit axe longitudinal, sur laquelle est fixée l'autre extrémité droite (12) de la bobine (1), au niveau du décrochement ou de l'encoche (11). Cette borne (18) présente une paroi amovible (20). Tous ces composants sont assemblés pour donner le sous-ensemble apparaissant aux figures 2 et 3. La figure 2 est plus précise quant à la liaison bobine (1) / contact fixe (15), alors que la figure 3 est plus claire pour la description de la liaison bobine (1) / borne de connexion (18). En référence à la figure 2, la similarité de forme entre le prolongement (14) et le flanc (8) est patente dans la zone terminale de la bobine (1), à proximité de l'extrémité droite (13). Celle-ci est au contact de la patte (17), via une surface de liaison plane qui autorise bien entendu une certaine latitude dans la position relative au moment de la fixation (voir aussi en figure 5). Cette zone de fixation est très proche du contact électrique réel, qui se produit au niveau de la pastille (16), notamment du fait du décalage du contact fixe (15) par rapport à l'axe longitudinal du sous- ensemble magnétique, en l'occurrence matérialisé par le percuteur (5) guidé par le noyau fixe (4). A l'autre extrémité de la bobine (1), une configuration de contact entre l'extrémité droite (12) et la patte (19) est constituée dans un plan sensiblement perpendiculaire au précédent. La fixation a lieu dans l'enchoche (11) pratiquée dans le bras (10) reliant les flancs (8, 9) de la culasse (2). La bobine (1) comporte approximativement trois spires de section sensiblement rectangulaire, ce qui permet de gagner du volume intérieur, de diminuer la longueur de fil nécessaire à sa réalisation, et par conséquent de réduire l'échauffement tout en augmentant les surfaces polaires des noyaux, et donc la force de séparation des contacts. La tôle de la culasse (2), et particulièrement le bras (10), a subi une réduction en épaisseur, pour permettre l'augmentation du volume externe, et par conséquent de l'orifice cylindrique interne de la bobine (1). L'angle de vue proposé par la figure 3, ainsi que la vue en élévation de la figure 4 laissent apparaître très clairement d'une part les connexions mécaniques de la bobine (1) et des éléments extérieurs à la culasse (2), et d'autre part la configuration géométrique choisie pour la bobine (1). La borne de connexion (18) a elle-même subi une augmentation d'épaisseur sur le trajet du courant, c'est-à-dire en partie supérieure, afin de réduire l'échauffement dans cette portion du sous-ensemble magnétique. La figure 4, n'étant pas en perspective, rend de manière plus exacte les proportions, et permet de se rendre compte de l'épaisseur respective des tôles de la borne (18) et de la culasse (2). L'intérêt de la figure 5 est essentiellement de représenter le sous- ensemble magnétique de l'invention lorsqu'une bobine (1) trop longue y est implantée. Dans ce cas, seules les zones arrondies situées au voisinage de l'extrémité droite (13) de la bobine (1) doivent être configurées pour ne pas gêner l'expansion de la bobine (1). L'exemple décrit en détail dans les lignes précédentes n'a aucune valeur limitative de l'invention, et n'est qu'illustratif. L'invention englobe au contraire toutes les variantes à la portée de l'homme de l'art, et contenues dans le domaine de protection tracé par les revendications annexées. 8 2779567 REVENDICATIONS 1. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur, composé d'une part d'une bobine à induction associée à un noyau mobile avec percuteur et ressort de rappel disposés dans une gaine isolante, ladite bobine étant montée longitudinalement dans une culasse présentant deux flancs en regard l'un de l'autre, le premier flanc étant muni d'un noyau fixe dans lequel est guidé le percuteur, et d'autre part d'un contact fixe auquel est relié une première extrémité de la bobine et d'une borne de connexion au disjoncteur à laquelle est reliée la seconde extrémité de la bobine, caractérisé en ce que le flanc de la culasse disposé du côté de l'extrémité de la bobine prévue pour être reliée au contact fixe est dimensionné pour pouvoir être au moins partiellement intégré dans le volume intérieur de la bobine afin d'absorber d'éventuelles variations dimensionnelles axiales de celle-ci, dont l'extrémité correspondante est orientée pour que sa fixation au contact fixe, dont la position relativement à la culasse est fixée, permette de rattraper le jeu axial de la bobine. 2. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contact fixe présente un prolongement pour sa fixation axiale au flan de la culasse, muni d'un orifice pour loger une extrémité du noyau fixe et dont la périphérie est également dimensionnée pour pouvoir être partiellement intégré dans le volume intérieur de la bobine. 3. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité de la bobine à relier au contact fixe est orientée suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe de la bobine, et fixée sur une patte du contact fixe située à proximité immédiate de la pastille de contact équipant ledit contact fixe, ladite patte présentant à cet effet une surface d'allure parallèle à ladite extrémité. 4. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section du fil électrique formant la bobine d'induction est d'allure rectangulaire, avec une épaisseur radiale inférieure à la largeur axiale pour augmenter d'une part le volume 9 2779567 intérieur enclos par ladite bobine et diminuer d'autre part la longueur de fil nécessaire pour une même longueur de bobine. 5. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la section d'allure rectangulaire du fil étant conservées, la largeur axiale du fil peut encore être augmentée si l'on procède à une diminution d'épaisseur de la tôle formant la culasse, dont le volume externe reste inchangé. 6. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les diamètres des noyaux mobile et fixe sont augmentés suite à l'augmentation du volume interne de la bobine, de telle sorte que leurs surfaces polaires en regard l'une de l'autre augmentent. 7. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la culasse a une forme en U, le bras reliant les deux flans d'extrémité étant du même côté de la bobine que le contact fixe et la borne de connexion. 8. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit bras comporte une encoche latérale à proximité du flan de la culasse située du côté de la borne de connexion, au niveau de la seconde extrémité de la bobine. 9. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'extrémité de la bobine, orientée dans un plan perpendiculaire à l'axe de manière à sortir tangentiellement de l'enroulement formant ladite bobine, est fixée à une patte prolongeant la partie supérieure de la borne de connexion, présentant une surface d'allure perpendiculaire à l'axe de la bobine, la fixation se faisant au niveau de ladite encoche. 10. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'extrémité de la bobine est orientée axialement de manière à sortir de la culasse au niveau de ladite encoche, la fixation à la borne de connexion se faisant à l'extérieur du volume entouré par la culasse. 11. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, 2779567 caractérisé en ce que la culasse est en cuivre ou en acier, le ressort de rappel du noyau étant prévu avec une force plus faible dans le premier cas. 12. Sous-ensemble magnétique pour appareillage électrique modulaire du type disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau est en acier. 13. Disjoncteur caractérisé en ce qu'il comprend un sous-ensemble magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.