Brevet FR2788165A1 — publié le 20000707

Le domaine technique de l'invention est celui des contacteurs électriques, notamment ceux utilisés dans les moteurs à énergie électrique comportant des batteries et servant à propulser des automobiles ou des véhicules spatiaux tels que les satellites. La présente invention se rapporte plus spécialement à un contacteur électrique à fonctionnement pyrotechnique permettant, en cas d'anomalie, d'ouvrir le circuit électrique en amont de l'élément de batterie défectueux et de fermer un circuit de dérivation, de façon à isoler l'élément de batterie défectueux tout en assurant la continuité du circuit électrique. Ce type de contacteur intervient pour éviter à un moteur électrique de tomber systématiquement en panne en cas de mauvais fonctionnement de l'un de ses éléments de batterie. Plusieurs sortes de contacteurs électriques à fonctionnement pyrotechnique ont déjà fait l'objet de brevets. Un premier type de contacteur est décrit dans le brevet américain US 3 885 223. Il s'agit d'un contacteur électrique à fonctionnement pyrotechnique doté dans l'une de ses chambres d'un tube à section aplatie. Lorsque ce contacteur n'a pas encore fonctionné, il ferme un circuit par l'intermédiaire de la surface externe de l'enveloppe du tube, au niveau des deux points les plus éloignés de la section fermée aplatie. En phase de fonctionnement, les gaz de combustion envahissent le tube et génèrent une pression telle que le tube va se déformer et acquérir une section circulaire. Ainsi dans la direction o le tube s'est rétracté radialement les contacts électriques initiaux se sont rompus et, à l'inverse, dans la direction o il s'est expansé radialement deux nouveaux contacts électriques, diamétralement opposés, ont été établis. Le contacteur électrique décrit dans le brevet européen EP 0 665 566 est également à fonctionnement pyrotechnique. Il fait intervenir un générateur de gaz dont la fonction est de déplacer une pièce conductrice au contact d'une autre pièce conductrice afin de les séparer pour interrompre le courant électrique. Les contacteurs électriques pouvant entrer dans le champ d'application des moteurs électriques munis de batteries et qui ont la double fonction d'ouvrir un circuit électrique et d'en fermer un autre de façon quasisimultanée, doivent posséder deux caractéristiques recherchées par l'homme du métier: ils doivent, d'une part, agir dans un temps extrêmement bref et, d'autre part, être non dissipatifs, c'est à dire que la résistance du circuit actif et particulièrement, la résistance des contacts doit être réduite au minimum pour éviter, autant que possible, la dissipation d'énergie par effet Joule, tandis que la résistance du circuit inactivé est infinie. Le contacteur selon l'invention répond à cette double exigence. L'objet de la présente invention concerne un contacteur électrique, notamment pour batterie, constitué par un corps creux délimitant une partie amont dans laquelle est situé un dispositif d'initiation pyrotechnique et une partie aval dans laquelle est logé un piston, caractérisé en ce que a - la partie aval comporte au moins trois points de contact électrique b - le piston comportant une partie conductrice reliant initialement le premier point de contact électrique au deuxième point de contact électrique peut se déplacer sous l'effet de la pression générée par les gaz issus de la combustion du dispositif d'initiation pyrotechnique pour venir connecter au moins un autre point de contact électrique. Selon un mode de réalisation préférée de l'invention, la partie aval comporte trois points de contact électrique et le piston dont la partie conductrice relie le premier point de contact électrique au deuxième point de contact électrique peut se déplacer sous l'effet de la pression générée par les gaz issus de la combustion du dispositif d'initiation pyrotechnique pour venir connecter le deuxième point de contact électrique au troisième point de contact électrique. Préférentiellement, à l'exception de sa partie conductrice, le piston est entièrement réalisé en matériau solide isolant. Avantageusement, le corps creux est un tube allongé. De façon préférentielle, les points de contact électrique sont situés dans la paroi latérale de la partie aval du tube. De façon avantageuse, les points de contact électrique sont constitués par des plots conducteurs. Préférentiellement, les trois plots sont fixes, alignés et régulièrement espacés, et le piston subit un mouvement de translation dans la partie aval lorsqu'il est soumis à la pression des gaz de combustion issus du dispositif d'initiation pyrotechnique. Avantageusement, la partie conductrice du piston est constituée par une plaquette demeurant constamment au contact d'au moins deux plots pendant son déplacement et qui, à un instant donné dudit déplacement, est momentanément connecté aux trois plots. Ainsi, l'ouverture du premier circuit s'effectue alors que le courant électrique circule déjà dans le deuxième circuit permettant d'éviter, pendant un bref délai, l'ouverture simultanée des deux circuits électriques. En effet, une interruption momentanée du courant électrique pourrait entraîner des phénomènes parasites indésirables comme, par exemple, une remise à zéro intempestive des organes fonctionnels alimentés. De façon préférentielle, la partie aval du tube possède une extrémité libre conique permettant au piston mis en mouvement par les gaz de combustion de terminer sa course en se frettant dans ladite extrémité conique. De cette manière, le piston reste figé dans cette position sans risque de retour dans la partie aval. De façon avantageuse, le dispositif d'initiation pyrotechnique est vissé dans la partie amont du tube allongé. Préférentiellement, chaque plot conducteur est inséré dans une structure isolante rapportée dans la paroi de la partie aval du tube. De façon préférentielle, chaque plot conducteur est inséré dans une vis creuse isolante vissée dans la paroi de la partie aval du tube allongé. Avantageusement, chaque plot ainsi que la plaquette sont en matériau à base de cuivre. Selon un mode de réalisation préférée de l'invention, le corps creux est en alliage léger à base d'aluminium. De façon préférentielle, le dispositif d'initiation pyrotechnique est bâti à partir d'un initiateur à fil chaud du type de ceux utilisés dans la grande série automobile. De façon avantageuse, la charge pyrotechnique dudit initiateur est constituée par une composition d'allumage oxyréductrice. Le contacteur selon l'invention présente l'avantage d'être léger, de conception simple et d'encombrement réduit. Les pièces impliquées dans le fonctionnement du mécanisme du contacteur sont soumises à des efforts modérés de frottement. Aussi, leur déplacement ne requiert qu'une faible quantité de matière pyrotechnique au niveau de l'initiateur, et leur tenue mécanique peut être assurée par une réalisation en matériau léger. De plus, lorsqu'il est en phase de commutation, le contacteur assure en permanence la circulation du courant électrique dans l'un ou l'autre des deux circuits électriques évitant ainsi une coupure totale et momentanée qui pourrait entraîner des phénomènes parasites indésirables aux conséquences imprévisibles sur le circuit. Enfin, un autre avantage procuré par l'invention est le caractère non dissipatif du contacteur se traduisant par l'absence de dissipation énergétique par effet Joule. On donne ci-après une description détaillée d'un mode de réalisation préférée d'un contacteur selon l'invention en se référant aux figures 1, 2 et 3. La figure 1 est une coupe longitudinale d'un contacteur selon l'invention n'ayant pas encore fonctionné. La figure 2 est une coupe transversale selon le plan II-II d'un contacteur selon l'invention. La figure 3 est une coupe longitudinale du contacteur qui est représenté à la figure 1 et qui a effectué la commutation. En se référant à la figure 1, un contacteur 1 électrique selon l'invention est constitué par un corps creux 2 fait dans un alliage léger à base d'aluminium et présentant une partie aval sensiblement cylindrique prolongée par une partie amont cylindrique élargie 11, les deux parties étant dans le prolongement l'une de l'autre et en communication entre elles. La partie cylindrique élargie 11 présente un alésage fileté et possède à l'une de ses extrémités une face circulaire 12 ayant une ouverture en son centre. Le dispositif d'initiation pyrotechnique 3 a la forme d'une vis possédant une tête hexagonale élargie 13 et un corps cylindrique fileté et est bâti à partir d'un initiateur à fil chaud couramment utilisé dans la grande série automobile et comprenant une charge pyrotechnique génératrice de gaz comme celles constituées, par exemple, d'une composition d'allumage oxydoréductrice. Le dispositif d'initiation pyrotechnique 3 est vissé jusqu'à ce que la tête 13 vienne en butée contre la face circulaire 12. Un joint circulaire coincé entre le corps du dispositif d'initiation pyrotechnique 3 et la paroi interne de la partie amont du corps creux 2 assure une bonne étanchéité de ladite partie amont 11 vis à vis du milieu ambiant. La partie aval sensiblement cylindrique possède une partie plate saillante, de forme rectangulaire 14, faisant office de plate-forme et comportant trois taraudages, identiques, alignés suivant l'axe du corps creux 2 et régulièrement espacés, lesdits taraudages faisant communiquer la partie aval du corps creux 2 avec l'extérieur du contacteur 1. Trois vis creuses 10, 30, 40 isolantes, et filetées sur leur surface cylindrique externe sont vissées dans les taraudages et sont destinées à recevoir et à maintenir fermement des plots cylindriques conducteur 5, 6, 7 se terminant chacun par une tête plate cylindrique élargie , 25, 35 de diamètre supérieur au diamètre des alésages desdites vis creuses 10, 30, 40. La partie aval du corps creux 2, qui délimite un espace sensiblement cylindrique, renferme un piston 4 monobloc comportant deux parties extrêmes cylindriques de diamètre légèrement inférieur à celui dudit espace cylindrique et dont l'une, la plus proche du dispositif d'initiation pyrotechnique 3, possède à sa périphérie et coincés contre la paroi interne de la partie aval du corps creux 2 deux joints d'étanchéité parallèles, 16, 17, et une partie intermédiaire de section régulière, réduite, en forme de segment de cercle, occupant partiellement la partie aval et ménageant donc un espace libre 18 dans ladite partie aval. Le piston 4 est réalisé en matériau isolant. En se référant aux figures 1 et 2, la partie intermédiaire du piston 4 possède dans sa partie centrale un évidement superficiel au fond duquel est creusée une rainure rectiligne suivant l'axe de la partie aval, dans laquelle vient se glisser une pièce conductrice monobloc. Ladite pièce permet de distinguer une plaquette 8 conductrice parallélépipèdique de forme rectangulaire et une base 19 conductrice. Ladite base 19 qui est également parallélépipédique et de forme rectangulaire possède une longueur inférieure à celle de la plaquette 8 et se situe dans la zone centrale de ladite plaquette 8 sur son plus grand axe, perpendiculairement à celle-ci. Autrement dit, sur toute la longueur de la base 19 la pièce conductrice monobloc une section en forme de T et, de part et d'autre de cette longueur, la section de ladite pièce monobloc devient celle de la plaquette 8 qui est rectangulaire. La pièce conductrice monobloc est placée dans la partie intermédiaire du piston 4 de manière à ce que la plaquette 8 occupe l'évidement et la base 19 se retrouve dans la rainure. La hauteur de la plaquette 8 correspond à la profondeur de l'évidement, assurant ainsi une continuité entre la surface de la partie intermédiaire du piston 4 et celle de la plaquette 8. La hauteur de la base 19 étant inférieure à la profondeur de la rainure, la largeur de la plaquette 8 étant inférieure au diamètre de la partie aval du corps creux 2 et la plaquette 8 venant en butée de part et d'autre de sa longueur contre la partie intermédiaire du piston 4, la pièce conductrice monobloc se trouve isolée du corps creux 2. Les différents éléments intervenant dans la partie aval sont agencés de sorte que les têtes plates cylindriques 15, 25, 35 de chaque plot 5, 6, 7 émergent des alésages des vis creuses 10, 30, 40, dans l'espace libre 18 de la partie aval et viennent au contact soit de la partie intermédiaire du piston 4 soit de la plaquette conductrice 8 qui sont en continuité l'une de l'autre. Les plots conducteurs 5, 6, 7 ainsi que la plaquette conductrice sont en cuivre protégé. L'extrémité libre 9 de la partie aval a une forme conique convergente se traduisant par un rétrécissement progressif du diamètre lorsque l'on se rapproche de la sortie de ladite partie aval. Les deux extrémités du piston 4 comportent chacune une face circulaire plane et la longueur dudit piston 4 est inférieure à celle de la partie aval. Il est séparé du dispositif d'initiation pyrotechnique 3 par un espace libre 20 qui sert de chambre d'expansion des gaz lorsque le dispositif d'initiation 3 est déclenché. Le principe de fonctionnement du contacteur 1 selon l'invention suit les étapes suivantes. Un senseur, qui est extérieur au contacteur 1, détecte une tension anormale dans le circuit, c'est à dire une tension en dehors des limites de la plage de valeurs pour laquelle il a été programmé, et envoie une impulsion électrique au dispositif d'initiation pyrotechnique 3 provoquant sa mise à feu. Les gaz de combustion s'expansent dans l'espace libre 20 prévu à cet effet juste en amont du piston 4, et lorsque les efforts sur le piston 4 dus à la pression gazeuse sont suffisamment importants et dépassent les efforts résistants de frottement, ledit piston 4 est mis en mouvement et va coulisser dans la partie aval du corps creux 2. Lorsque le piston 4 n'a pas encore amorcé sa course, la plaquette conductrice 8 est au contact des deux premiers plots conducteurs 5, 6 au niveau de leurs têtes plates cylindriques 15, 25 fermant le circuit de charge/ décharge de la batterie. Une fois que le piston 4 a commencé à se translater dans la partie aval, la plaquette conductrice 8 vient, dans un premier temps, au contact de la tête cylindrique plate 35 du troisième plot 7 alors que ladite plaquette 8 est toujours au contact du premier plot 5, puis, dans un deuxième temps, poursuit sa course en maintenant le contact entre le deuxième plot 6 et le troisième plot 7 mais en se déconnectant du premier plot 5. En se référant à la figure 3, le piston 4 termine son déplacement en se frettant dans l'extrémité conique 9 de la partie aval sans émerger de celle-ci, dans une position correspondant à la déconnexion du premier plot 5 et à la connexion du deuxième plot 6 avec le troisième plot 7. De cette manière, le contacteur 1 selon l'invention propose une phase transitoire pour laquelle les deux circuits sont momentanément fermés avant l'ouverture du premier circuit. Ainsi la phase de connexion entre le deuxième plot 6 et le troisième plot 7 n'est pas précédée d'une phase préalable de coupure totale et momentanée du courant électrique afin d'éviter certains phénomènes parasites indésirables. Lors de la phase de fonctionnement du contacteur 1 correspondant au déplacement du piston 4, les têtes 15, 25, 35 des trois plots conducteurs 5, 6, 7 sont alignées et en permanence au contact de la partie intermédiaire du piston 4, soit au niveau de la plaquette conductrice 8 soit au niveau du piston 4 lui-même. Il est à préciser qu'un tel dispositif fonctionne en moins de cinq millisecondes depuis le temps d'application du courant nominal de mise à feu. Revendications 1. Contacteur électrique (1) constitué par un corps creux (2) délimitant une partie amont dans laquelle est situé un dispositif d'initiation pyrotechnique (3) et une partie aval dans laquelle est logé un piston (4), caractérisé en ce que a - la partie aval comporte au moins trois points de contact électrique (5, 6, 7) b - le piston (4) comportant une partie conductrice (8) reliant initialement le premier point de contact électrique (5) au deuxième point de contact électrique (6) peut se déplacer sous l'effet de la pression générée par les gaz issus de la combustion du dispositif d'initiation pyrotechnique (3) pour venir connecter au moins un autre point de contact électrique (7). 2. Contacteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie aval comporte trois points de contact électrique (5, 6, 7) et le piston (4) dont la partie conductrice (8) relie le premier point de contact électrique (5) au deuxième point de contact électrique (6), peut se déplacer sous l'effet de la pression générée par les gaz issus de la combustion du dispositif d'initiation pyrotechnique (3) pour venir connecter le deuxième point de contact électrique (6) au troisième point de contact électrique (7). 3. Contacteur électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps creux (2) est un tube allongé. 4. Contacteur électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les points de contact électrique (5, 6, 7) sont situés dans la paroi latérale de la partie aval du tube. 5. Contacteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les points de contact électrique (5, 6, 7) sont constitués par des plots conducteurs. 6. Contacteur électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie conductrice du piston est constituée par une plaquette (8) demeurant constamment au contact d'au moins deux plots pendant son déplacement et qui, à un instant donné dudit déplacement, est momentanément connecté aux trois plots (5, 6, 7). 7. Contacteur électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la partie aval du tube possède une extrémité libre conique (9) permettant au piston (4) mis en mouvement par les gaz de combustion de terminer sa course en se frettant dans ladite extrémité conique (9). 8. Contacteur électrique selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque plot conducteur (5, 6, 7) est inséré dans une structure isolante (10, 30, 40) rapportée dans la paroi de la partie aval du tube. 9. Contacteur électrique selon l'une quelconque des revendications 5, 6 ou 8, caractérisé en ce que chaque plot (5, 6, 7) ainsi que la plaquette (8) sont en matériau à base de cuivre. 10. Contacteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps creux (2) est en alliage léger à base d'aluminium. 11. Contacteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dispositif d'initiation pyrotechnique (3) est bâti à partir d'un initiateur à fil chaud du type de ceux utilisés dans la grande série automobile.