Brevet FR2815467A1 — publié le 20020419

ACTIONNEUR MAGNÉTOTHERMIQUE COMPACT À BILAME HÉDCOÏDAL L'invention concerne un actionneur magnétothermique compact prévu pour déclencher une serrure mécanique permettant de séparer au moins un contact mobile d'au moins un contact fixe dans un appareil électrique de protection de ligne, par exemple de type disjoncteur, lors d'un court-circuit ou d'une surcharge. Dans la plupart des dispositifs connus à ce jour, l'actionneur magnétique et l'actionneur thermique sont différenciés, et agencés à des endroits distincts dans le boîtier de l'appareil électrique. Le bilame thermique est en général disposé sous la forme d'une poutrelle soudée à l'une de ses extrémités dans le circuit électrique de l'appareil, et dont la déflexion provoque un déplacement de l'extrémité libre permettant le contact, puis le déclenchement de la serrure mécanique, ouvrant les contacts et coupant le circuit. Ces bilames en forme de poutrelle nécessitent en général un réglage initial au moment de la fabrication, par exemple à l'aide d'une vis qui agit transversalement de manière à délimiter leur course lors d'un contrôle final du produit. La réalisation d'un tel réglage est évidemment pénalisante dans la ligne de fabrication, car elle ralentit la production. En termes purement économiques, ce ralentissement coûte cher, car il provoque un goulot d'étranglement dans la chaîne de fabrication. Le souci d'optimiser la productivité a généré des tentatives pour échapper aux contraintes propres à ces bilames. Ainsi, il a été proposé une solution utilisant comme élément thermique une rondelle bimétallique à deux positions stables dont l'une, obtenue lors d'une montée en température, permet le déclenchement de la serrure. Cette solution est décrite dans le brevet allemand DE 3637275 qui présente une configuration magnétothermique intégrée avec une rondelle bimétallique qui agit sur le même percuteur que celui qui est mis en action par l'actionneur magnétique. Celui-ci est classique, comportant une bobine d'induction disposée à l'intérieur d'une culasse magnétique, un noyau fixe et un noyau mobile doté dudit percuteur. La rondelle bimétallique est disposée dans l'axe de la bobine d'induction, elle est traversée par le percuteur qui est doté au niveau de cette rondelle d'un épaulement sur lequel elle s'appuie. Le changement de position de ladite rondelle est obtenu de manière indirecte, par transfert de chaleur depuis la bobine. Compte tenu du positionnement relatif de ces deux éléments, le rendement est cependant faible, et le temps de déclenchement est par conséquent long. De plus, cette solution conduit structurellement à une amplitude de déformation faible, de l'ordre de 0, 5 mm, car il n'est pas possible d'utiliser des rondelle de diamètre supérieur à la largeur du boîtier de l'appareil électrique. Il faut donc assurer une précision importante dans le positionnement des différents éléments de l'unité magnétothermique, ainsi que dans le positionnement relatif de cette dernière et de la serrure mécanique. Ces contraintes techniques ont une conséquence économique évidemment défavorable, car elles entraînent un surcoût élevé à la fabrication. De plus, les rondelle sont réalisées dans des feuillards métalliques de très faible épaisseur, de l'ordre de 1 à 2 dixièmes, dont la maîtrise de la tolérance doit être assurée au micron près pour qu'elles fonctionnent correctement. Les feuillards sont par conséquent fabriqués par un laminage très performant, nécessitant notamment beaucoup de passes successives. Il faut de plus une maîtrise élevée de la concavité pour que le basculement se produise de manière satisfaisante. Le coût de la rondelle bimétallique elle-même est donc élevé. Enfin, le basculement d'une position à l'autre de la rondelle suit un cycle d'hystérésis, de 30 à 40 C séparant les températures de basculement respectivement au chauffage et au refroidissement de la rondelle. L'inconvénient principal de ce cycle d'hystérésis réside dans le fait qu'il n'est pas possible de réarmer immédiatement le produit, mais qu'il faut couramment attendre au moins une minute avant d'opérer le réarmement. Dans le cas où l'appareil électrique se trouve dans un tableau dont la température intérieure est élevée, au milieu d'autres produits chauds, le temps de réarmement peut même monter jusqu'à 3 minutes. Pour toutes ces raisons, la solution intégrée faisant appel à une rondelle bimétallique ne s'avère pas satisfaisante compte tenu du degré d'intégration et de l'espace disponible dans un appareil électrique modulare classique. La présente invention remédie à ces inconvénients, et propose une solution également intégrée et compacte, avantageuse autant du point de vue technique qu'économique. L'un des objectifs de l'invention est d'optimiser le rendement énergétique de la solution prévue, par rapport à la solution précitée et aux configurations traditionnelles à bilame en forme de poutrelle. Un autre objectif de l'invention est de permettre une automatisation du montage abaissant de manière sensible les coûts de production. Selon un autre objectif encore, la solution de l'invention permet un réarmement immédiat du dispositif lorsque l'élément thermique l'a fait disjoncter. Pour remplir ces objectifs, et d'autres qui apparaîtront dans le cours ultérieur de la description, l'actionneur magnétothermique compact de l'invention est caractérisé en ce que l'élément thermique bimétallique est un bilame hélice disposé coaxialement à la bobine d'induction, l'extrémité dudit bilame hélice voisine de l'extrémité libre du percuteur comportant un organe prévu pour entrer en contact et provoquer le déclenchement de la serrure mécanique lors de la déflexion du bilame. Les avantages de l'utilisation d'un bilame à hélice sont multiples : en premier lieu, on peut noter que, pour un volume de matière identique à un bilame en forme de poutrelle, le travail mécanique fourni par un bilame hélice est de l'ordre de 33% plus important. Ceci est notamment dû au fait que les contraintes sont équi-réparties, et non plus concentrées au niveau de l'encastrement comme dans la poutrelle précitée. De plus, la géométrie hélicoïdale permet d'utiliser des longueurs plus importantes dans des volumes réduits, ce qui permet le cas échéant d'accroître encore le travail mécanique fourni par le bilame. Dans la configuration de l'invention, le bilame est coaxial à la bobine d'induction. Le chauffage du premier est obtenu de manière indirecte, du fait de l'échauffement par effet joule du second. Or, les géométries de ces deux éléments, l'un agissant comme source, et l'autre comme récepteur de chaleur, sont très voisines, ainsi que leur positionnement relatif, et le rendement de transfert est donc excellent. Des essais ont montré que cette configuration permet de gagner aux alentours d'un watt de dissipation thermique dans un disjoncteur. De même, alors que la courbe de changement de position de la rondelle bimétallique en fonction de la température suit un cycle d'hystérésis, celle du bilame hélicoidai est linéaire, et il suffit d'attendre que la température repasse, à la descente, sous le seuil de déclenchement pour pouvoir réarmer. Selon une possibilité, le bilame hélice est disposé à l'intérieur de la bobine d'induction, entre cette dernière et les noyaux fixe et mobile. Cette disposition est mécaniquement avantageuse, car elle autorise plusieurs solutions de maintien du bilame hélice dans l'unité compacte. Ce positionnement interne, protégé, est également excellent pour le rendement du transfert thermique. De préférence, le bilame hélice se développe sur une longueur sensiblement identique à celle de la bobine d'induction soiénoïdaie. De la sorte, tout en respectant la compacité de l'ensemble, on utilise un bilame de la longueur maximale, ladite longueur ayant comme indiqué précédemment une incidence directe sur l'énergie développée. Si, pour la même quantité de matière, ledit bilame hélice permet d'aboutir à 33% de travail mécanique en plus que sur une poutrelle traditionelle, le raisonnement inverse peut également être tenu. Ainsi, pour abaisser les coûts, 1 est possible de réduite la quantité de matière de 33%, si l'on estime que le travail produit est mécaniquement suffisant pour déclencher la serrure. Dans la configuration de l'invention, le bilame hélice est séparé des noyaux fixe et mobile par une pièce isolante d'allure cylindrique permettant un maintien mécanique axial du bilame. Il est évidemment fondamental que les positions respectives de la bobine d'induction et du bilame hélice soient garanties, et notamment qu'elles soient toujours identiques lorsque le bilame, après refroidissement, a repris sa position initiale. Selon une possibilité, l'extrémité du bilame hélice voisine de l'extrémité libre du percuteur comporte un organe coaxial à la bobine d'induction solénoïdaie, disposé libre en rotation à l'extrémité de cette dernière, et dont un relief dépassant de la périphérie radiale est prévu pour entrer en contact avec la serrure magnétique en cas de déflexion du bilame hélice. De préférence, ledit organe libre en rotation est d'allure cylindrique et comporte une ailette radiale dépassant de sa périphérie. De préférence encore, l'organe rotatif d'allure cylindrique présente un orifice axial traversant guidant le percuteur lors d'un mouvement axial de ce dernier. L'existence de cet organe rotatif répond en fait à deux exigences : une exigence liée à la fonction principale à remplir par le bilame, c'est-à-dire faire déclencher la serrure en cas de surcharge sur la ligne, et une exigence configurationnelle liée à la nécessité d'intégration pour préserver la compacité de l'actionneur magnétothermique et fonctionner en liaison avec l'aspect magnétique. L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures disposées en annexe, pour lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un actionneur magnétothermique compact selon la présente invention ; - la figure 2 est une vue de côté de l'organe rotatif réalisant l'interface entre le bilame et la serrure mécanique. En référence à la figure 1, l'actionneur magnétothermique compact de l'invention se présente sous une forme qui s'apparente à celle d'un simple actionneur magnétique traditionnel. Ainsi, ce dispositif comporte une bobine d'induction soléndidale (1) dont l'une des extrémités est fixée au niveau d'un flan latéral (2) d'une culasse magnétique dont seul ledit flan (2) est représenté, et qui a une forme traditionnelle en U entourant ladite bobine (1). L'actionneur comporte également un noyau mobile (3) et un noyau fixe (4) ainsi qu'un ressort (5) de rappel permettant à un percuteur (6) de revenir à sa position de repos lorsque le mécanisme a disjoncté. Ledit percuteur (6) est par conséquent associé au noyau mobile (3), lequel coulisse axialement en cas de court-circuit. Les deux extrémités de la bobine sont électriquement connectées d'une part à une tôle (7) reliée à une borne de connexion du produit, et d'autre part à un contact fixe (8). Les éléments relatifs à l'actionneur thermique sont intégrés à l'ensemble décrit jusqu'ici. Ainsi, un bilame hélice (9) est enroulé à l'intérieur de la bobine (1). Ce bilame (9) se développe depuis le flan latéral (2) de la culasse magnétique jusqu'à l'autre extrémité de la bobine d'induction (1). A cet endroit, l'extrémité (10) dudit bilame (9) est fixée à un organe rotatif (11) selon un mode de fixation qui est notamment représenté en figure 2. Cet organe rotatif (11) comporte une ailette radiale (12) destinée à actionner le déclencheur de la serrure mécanique (non représenté). Le fonctionnement est le suivant : lors d'une surcharge électrique, l'échauffement par effet joule de la bobine d'induction (1) provoque l'échauffement du bilame hélice (9), qui subit une déflexion. Cette déflexion se traduit au niveau de son extrémité libre (10) par un déplacement angulaire qui est bien entendu répercuté à la pièce (11), dans le sens de la flèche F. Ce mouvement est également communiqué à l'ailette (12) qui dépasse radialement de l'organe rotatif (11), ladite ailette (12) venant au cours de son mouvement rotatif au contact de la serrure qu'elle déclenche. Pour pouvoir maintenir correctement le bilame hélice (9) dans l'unité compacte, une pièce (13) d'allure cylindrique est disposée entre le bilame (9) et les noyaux mobile (3) et fixe (4). Cette pièce (13) est notamment fixée au niveau du flan latéral (2) de la culasse magnétique. L'organe rotatif (11) se situe par conséquent à son autre extrémité. Les figures 1 et 2 montrent que cet organe rotatif (11) comporte un orifice central traversant (14), lui permettant notamment de laisser passer le percuteur (6) pour lequel il constitue un guidage en sortie. La description d'un actionneur magnétothermique compact selon l'invention qui vient d'être faite ne constitue bien entendu qu'un exemple nullement exhaustif de ladite invention. Celle-ci englobe au contraire les variantes de forme et de configuration qui sont à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Actionneur magnétothermique compact prévu pour déclencher une serrure mécanique séparant au moins un contact mobile d'au moins un contact fixe dans un appareil électrique de protection de ligne de type disjoncteur lors d'un court-circuit ou d'une surcharge, comportant une bobine so ! énoïda) e d'induction montée longitudinalement dans une culasse magnétique et entourant un noyau fixe et un noyau mobile associé à un percuteur, ainsi qu'un élément thermique bimétallique, caractérisé en ce que l'élément thermique bimétallique est un bilame hélice disposé coaxialement à la bobine d'induction, l'extrémité dudit bilame hélice voisine de l'extrémité libre du percuteur comportant un organe prévu pour entrer en contact et provoquer le déclenchement de la serrure mécanique lors de la déflexion du bilame. 2. Actionneur magnétothermique compact selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le bilame hélice est disposé à l'intérieur de la bobine d'induction, entre cette dernière et les noyaux fixe et mobile. 3. Actionneur magnétothermique compact selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bilame hélice se développe sur une longueur sensiblement identique à celle de la bobine d'induction solénoïdaie. 4. Actionneur magnétothermique compact selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le bilame hélice est séparé des noyaux fixe et mobile par une pièce isolante d'allure cylindrique permettant un maintien mécanique axial du bilame. 5. Actionneur magnétothermique compact selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité du bilame hélice voisine de l'extrémité libre du percuteur comporte un organe coaxial à la bobine d'induction solénoïdale, disposé libre en rotation à l'extrémité de cette dernière, et dont un relief dépassant de la périphérie radiale est prévu pour entrer en contact avec la serrure magnétique en cas de déflexion du bilame hélice. 6. Actionneur magnétothermique compact selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit organe libre en rotation est d'allure cylindrique et comporte une ailette radiale dépassant de sa périphérie. 7. Actionneur magnétothermique compact selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'organe rotatif d'allure cylindrique présente un orifice axial traversant guidant le percuteur lors d'un mouvement axial de ce dernier.