Brevet FR2891667A1 — publié le 20070406

Cage de raccordement de conducteurs en forme d'ogive tronquée La présente invention concerne une cage en aluminium de raccordement de conducteurs à un appareil électrique, par exemple de type disjoncteur, permettant la connexion de conducteurs de sections d'importance variée. Ce type de cage se trouve par exemple dans les appareils dits à boîtiers moulés, dont les calibres peuvent aller jusqu'à 160 ampères. Pour les calibres inférieurs, par exemple compris entre 16 et 125 ampères, les cages de raccordement sont en général prévues en acier. En revanche, pour les calibres supérieurs, allant jusqu'aux 160 ampères mentionnés, on a généralement recours à des cages en aluminium, parce qu'elles se révèlent plus efficaces d'un point de vue électrique et thermique. La chaleur dégagée par effet joule dans les conducteurs de grosses sections parcourues par des courants importants peut en effet représenter un problème si elle ne peut diffuser vers l'environnement extérieur, notamment au niveau des cages de raccordement. A cet égard, les cages en aluminium s'avèrent plus performantes que celles qui sont fabriquées en acier. L'aluminium présente également des avantages en termes de fabrication. Il est en effet possible de réaliser les cages par extrusion du métal dans une filière, suivie d'un sectionnement à intervalles réguliers du profilé obtenu, opérations qui permettent d'obtenir un coût de fabrication très intéressant quand les sections à raccorder sont grandes, et que les quantités de cages à produire sont limitées. Ces cages comportent un moyen de serrage du conducteur au contact d'une borne conductrice de l'appareil, moyen constitué d'une vis traversant un orifice fileté pratiqué dans une paroi de la cage. Cette dernière comporte en fait deux espaces intérieurs dont l'un sert de logement au conducteur à raccorder alors que l'autre sert de logement à ladite borne de l'appareil. La vis de serrage en question débouche dans le logement prévu pour le conducteur, alors que le logement prévu pour la borne comporte des moyens de maintenir la cage sur la borne. Le problème des cages en aluminium réside dans leur tenue mécanique en réponse aux contraintes qui s'appliquent sur elles, notamment et principalement au moment du serrage de la vis sur le conducteur à raccorder. Les monteurs de ces appareils électriques, lorsqu'ils procèdent au serrage, ont tendance à exercer un couple de serrage qui est trop important relativement à la résistance mécanique de la cage. Pour résister à ces couples excessifs, les cages devraient présenter une tenue mécanique du même ordre qu'une cage acier de dimensions similaires. Les cages aluminium actuelles sont conçues pour un couple de serrage peu élevé qui est spécifié, mais dont les monteurs ne tiennent pas compte parce qu'ils n'utilisent pas systématiquement de clés dynamométriques. Ils utilisent parfois des clés simples, et serrent sans aucune précision par exemple avec un levier externe entraînant un couple tel que la cage se casse parfois de part et d'autre de l'orifice fileté de la vis, laquelle peut d'ailleurs elle aussi être abîmée dans certains cas. L'invention remédie à ces problèmes, en proposant une nouvelle cage de raccordement en aluminium, utilisable dans les mêmes conditions mais présentant une tenue mécanique bien supérieure à ses devancières, de sorte qu'elle ne casse pas lors du serrage effectué par les monteurs. L'un des axes sur lequel les concepteurs de cette nouvelle cage ont en particulier travaillé est le profil en section de la nouvelle cage, conçu pour offrir une meilleure résistance aux efforts que celle-ci subit pendant un serrage. La réalisation d'un nouveau profilé doit cependant tenir compte d'impératifs incontournables: le volume intérieur du logement du câble à raccorder est défini par la section maximale dudit conducteur, la borne électrique de l'appareil équipée desdites cages ne change pas de forme, l'espace dévolu à ces cages dans lesdits appareils reste également peu ou prou identique, etc. A titre principal, selon l'invention, la cage de raccordement a été conçue de telle sorte que le tracé externe des parois du logement du conducteur, en section, prenne la forme d'une ogive tronquée. Le but poursuivi consiste à titre principal à ne pas déformer le taraudage pour ne pas modifier le rendement de la cage après serrage. Par ailleurs, les excroissances disposées en vis à vis dans le volume interne de la cage, et qui séparent le logement du câble et le logement de la borne, consistent en l'occurrence en des renflements arrondis. Les caractéristiques précitées, combinées avec d'autres qui seront envisagées dans la suite de ce texte, permettent en fait très généralement d'améliorer sensiblement la résistance de la cage aux contraintes mécaniques. Cette nouvelle cage a fait l'objet de recherches poussées en matière de résistance à toutes les contraintes auxquelles elle est soumise pendant une phase de serrage d'un conducteur. Dans les cages de l'art antérieur, les excroissances disposées en vis à vis comportaient notamment des arêtes vives et des coins rectangulaires, donnant lieu à des zones de concentration de contraintes pendant la phase de serrage. 2891667 3 Celles-ci sont supprimées dans la nouvelle configuration. De même, les bornes de l'art antérieur comportaient un profilé extérieur d'allure rectangulaire autour du logement du conducteur. Il s'ensuivait une variation de largeur des parois latérales. En termes de résistance des matériaux, ce profil engendrait une propension desdites parois latérales à se déplacer l'une vers l'autre au moment du serrage, mouvement contrarié par la vis de serrage, qui jouait alors un rôle de point d'appui, provoquant un effet inverse sur la paroi dans laquelle est pratiqué l'orifice fileté en aboutissant à une rupture dans les zones de moindre résistance situées de part et d'autre dudit orifice. La nouvelle forme permet en pratique d'aboutir à une résistance mécanique environ deux fois plus élevée qu'auparavant, avec pourtant 8 % de matière en moins, ce qui est un facteur de plus à mettre au bénéfice du rendement économique. Cette forme permet en fait de dériver une partie de la contrainte verticale résultant du serrage de la vis en une contrainte de torsion absorbée par le matériau. Des tests ont montré que la nouvelle cage subit un allongement, dans la direction de l'axe de la vis de serrage, qui peut aller jusqu'à 5 à 6 dixièmes de millimètre avant la rupture. Cette dernière intervient pour des couples deux fois plus élevés que dans la configuration précédente, c'est-à-dire pour des valeurs qui entraînent un comportement de la cage tel que le monteur devient conscient que son serrage est trop important. D'une manière générale, la démarche des concepteurs a été d'optimiser la cage, chaque fois que cela a été possible. Ainsi, parmi les autres problèmes rencontrés dans les cages de l'art antérieur, un défaut d'insertion correcte de la borne électrique dans la cage pouvait également survenir. Dans la partie du volume intérieur de la cage qui est réservée à la borne, il était donc prévu d'utiliser une vis de maintien vissée dans un orifice fileté pratiqué dans la base de la cage, et dimensionnée de telle sorte que son extrémité puisse s'insérer dans un orifice de la borne conductrice. Or, selon la tolérance de fabrication de ladite borne, il pouvait arriver que l'extrémité de la vis et l'orifice de la borne ne soient pas en face l'un de l'autre, et qu'il n'y ait dès lors pas de possibilité d'insertion. Au moment du serrage, toutes les contraintes étaient donc assumées par l'unique cage, au lieu d'être partagées avec ladite vis de maintien en acier. De même, lesdites vis étant standards, elles présentent après fabrication, statistiquement, des longueurs qui sont variables. Il importe que cette longueur ne soit pas trop importante, pour ne pas gêner le serrage du câble à raccorder à la cage, ce qui est le cas lorsqu'elles dépassent de la borne. Ainsi, dans la cage de l'invention, on a prévu que l'orifice fileté pratiqué dans la base de la cage le soit dans une nervure formant un bossage plan dépassant de la surface de ladite base. La surépaisseur résultant de cette nervure permet en fait d'absorber les longueurs résiduelles éventuelles des vis standards les plus longues. De même, pour faciliter l'insertion effective de cette vis de maintien dans l'orifice de la borne, il a été prévu que le diamètre de la vis de maintien présente une dimension comprise entre 40 % et 70 % du diamètre de l'orifice pratiqué dans la borne. Ces deux dernières améliorations permettent une interaction optimale et garantie entre ladite cage et la borne électrique, par l'intermédiaire de ladite vis de maintien, sans produire d'interactions parasites au niveau du raccordement avec le conducteur. Selon une caractéristique également essentielle de l'invention, et qui la distingue de ses devancières, le rendement de la liaison mécanique filetée entre la vis de serrage et la cage de raccordement est en outre dégradée, notamment de manière à répartir différemment les contraintes qui s'exercent sur ladite cage au moment du serrage. Ainsi, la vis de serrage et son orifice fileté dans la cage présentent dans l'invention un pas standard ISO qui dépend de l'ordre de grandeur de la cage, et qui est en tout état de cause bien supérieur aux pas utilisés jusqu'alors. Cette diminution du rendement de la liaison filetée aboutit à augmenter le couple supportable par la cage. A titre d'exemple, pour des cages équipant des disjoncteurs de calibre 160A, le pas standard ISO choisi est de 1,5 mm, alors que le pas plus fin utilisé jusqu'ici était de 1 mm. Pour dégrader encore le rendement de cette liaison, l'aluminium subit un traitement de surface à l'aide d'un produit augmentant le frottement de la vis dans le taraudage. Selon une possibilité, le traitement utilisé est un traitement de type chromatation. Pour mémoire, la chromatation permet aussi d'éviter l'oxydation de l'aluminium des cages, qui aurait des conséquences électriques défavorables, puisque l'oxyde d'aluminium est isolant. Le produit utilisé pour la chromatation est donc également choisi avec des caractéristiques permettant d'élever les frottements. Il doit de plus préserver la neutralité chimique de l'ensemble, qui risque sinon de fonctionner comme une pile en s'oxydant, dégradant la liaison électrique. Cela est d'autant plus vrai que le métal utilisé pour la vis de serrage est différent de celui qui est employé pour la cage et les matériaux des câbles à raccorder (aluminium, acier, cuivre, argent, métal étamé...). La vis est en effet par exemple en acier. Selon une possibilité, cette vis de serrage est actionnée au moyen d'une empreinte creuse. Dans cette hypothèse, le choix du diamètre de l'empreinte a une répercussion sur le diamètre de la vis, qui lui est nécessairement supérieur. Le choix d'un tel diamètre n'est pas non plus anodin, en relation avec la gamme de calibres des appareils électriques qui sont équipés de cages de raccordement selon l'invention. Le choix d'un petit diamètre pour la vis permettrait en principe de diminuer les contraintes s'appliquant à la cage au moment du serrage, mais le serrage ne serait pas assuré pour des conducteurs de faible section. En pratique, le diamètre extérieur de la vis est de l'ordre de la distance séparant les renflements. Jusqu'ici, le matériau mentionné pour la fabrication des cages de l'invention est l'aluminium. Il est cependant possible d'utiliser un alliage à base d'aluminium ou de cuivre, auquel sont appliquées les contraintes / caractéristiques qui ont été décrites auparavant. L'invention s'applique également aux appareils électriques du type disjoncteurs ou blocs différentiels destinés à être implantés dans des lignes électriques, auxquelles ils sont alors raccordés par connexion des conducteurs de ces lignes dans des cages de raccordement répondant à la description ci-dessus. L'invention va à présent être décrite plus en détails, en référence aux figures annexées, pour lesquelles: la figure 1 représente une vue en section du nouveau profilé de la cage de l'invention; - les figures 2 et 3 montrent des configurations de cages de l'art antérieur, avec une modélisation respectivement de l'application et de la direction des efforts au serrage; les figures 4 et 5 présentent la solution de l'invention, représentant la même modélisation pour la nouvelle solution; et les figures 6 et 7 représentent deux vues en section perpendiculaire de la nouvelle cage avec les moyens de maintien de la borne électrique dans son logement. En référence à la figure 1, le profilé de la cage (1) de raccordement de l'invention comporte un volume intérieur composé d'une zone (2) de logement du conducteur et d'une zone (3) permettant de loger la borne électrique (non représentée) de l'appareil dans lequel la cage (1) est implantée. Les deux logements (2, 3) sont séparés par des renflements (4, 5) disposés en vis à vis dans le volume intérieur de la cage (1), et qui retiennent la cage (1) sur la borne. 2891667 6 La base de la cage (1) est munie d'une nervure (6), dans laquelle est pratiqué un orifice fileté (7) prévu pour recevoir une vis de maintien de la borne conductrice dans le logement (3). La forme extérieure du profilé, dans sa partie supérieure, est dessinée en ogive, laquelle est tronquée au niveau de la paroi plane externe supérieure (8) de la cage (1) dans laquelle est pratiqué un orifice fileté (9) permettant l'insertion de la vis de serrage (non représentée). La forme en ogive permet notamment d'uniformiser sensiblement l'épaisseur des parois latérales de la cage (1) au niveau du logement (2), notamment par rapport aux configurations antérieures, telles qu'elles sont par exemple représentées en figures 2 et 3. Ces figures montrent la forme générale de la cage de l'art antérieur (10), d'allure sensiblement plus rectangulaire, et modélisent dans une perspective de Résistance des Matériaux les efforts que subit la cage lors d'un serrage de la vis sur un conducteur (11) connecté dans cage (10). La figure 2 représente cette modélisation au repos, lorsque aucun serrage n'est exercé, alors que la figure 3 illustre le comportement de la cage pendant le serrage. Les flèches F,, F,' montrent que lors du serrage, exercé en l'occurrence par une vis à pas fin, les parois latérales au niveau du logement (2) du câble tendent à se déplacer l'une vers l'autre, mouvement contrarié par la vis de serrage en (a, a'), ce qui tend à provoquer, au niveau de la paroi supérieure (8), de part et d'autre de l'orifice (9) de ladite vis un écartement selon les directions F2 F2', écartement qui conduit à une rupture des portions de la paroi supérieure (8) situées de part et d'autre dudit orifice (9). Il se produit enfin un allongement selon la direction F3. II est à noter que les protubérances (14) et (15) séparant le logement (2) et le logement (3), en l'espèce occupé par la borne conductrice (13), comportent un épaulement inférieur rectangulaire conduisant à l'existence d'angles vifs qui jouent un rôle dans le comportement de la cage de serrage, car ils sont notamment le lieu de concentrations de contraintes. Il en va de même pour la base (12) de cette cage, qui est au surplus démunie de la rainure (6) pratiquée dans la base de la nouvelle cage de l'invention, dont le rôle sera expliqué plus en détail dans la suite. Le comportement, en termes de Résistance des Matériaux, de la nouvelle cage est montré en figures 4 et 5, respectivement au repos et lors d'une phase de serrage du conducteur (11). Cette nouvelle forme, combinée à la dégradation du rendement conféré à la liaison filetée de serrage, conduit à titre principal à un allongement de la cage vers le haut, dans la direction de la flèche F4 alors que les déplacements perpendiculaires à ladite flèche F4 (représentés 2891667 7 par les flèches F,, F,', F2, F2' dans la configuration de la figure 3) sont en l'espèce très atténués. La figure 6 montre de manière plus détaillée l'implantation de la borne (13) à l'intérieur du logement (3), et sa liaison avec une vis (16) dont la tête repose sur la surface plane de la nervure (6), et qui est vissée dans le filetage (7) (voir figure 1). Cette nervure (6) sert à absorber les variations dimensionnelles des vis standards utilisées pour réaliser le maintien de la borne (13). En particulier, i convient d'éviter que l'extrémité libre de cette vis ne dépasse de la surface supérieure de la borne, et n'interfère avec le serrage du conducteur dans son logement (2). La largeur de la borne (13) est supérieure à la distance qui sépare les renflements (4) et (5), d'où son maintien dans le logement (3). La figure 7 constitue une section perpendiculaire à la vue de la figure 6, qui permet notamment d'apprécier la forme de la borne (13), et la raison de la différence entre le diamètre de la vis (16) est celui de l'orifice (17) dans lequel ladite vis (16) est insérée. Il s'agit là encore d'une caractéristique technique qui vise à s'affranchir des variations dimensionnelles qui surviennent dans le logement de la cage (1). II importe que, dans tous les cas, la partie filetée de la vis (16) puisse s'insérer dans l'orifice (17). La forme de la cage de raccordement (1) de l'invention, montrée ci-dessus aboutit de plus à un gain de matière par rapport à la cage de l'art antérieur telle que représentée en figures 2 et 3. L'utilisation d'un pas de vis de 1,5 mm, qui dégrade sensiblement le rendement de la liaison filetée par rapport à celui que l'on obtenait dans la liaison à pas de vis plus fin des figures 2 et 3 permet, en combinaison avec cette nouvelle forme, d'aboutir à un ensemble cage-vis deux fois plus résistant qu'auparavant. A effort de serrage égal, le coefficient de sécurité est donc fortement augmenté, et il ne peut plus, désormais, échapper au monteur que le serrage qu'il effectue est trop important, avant même que la cage ne casse, ce qui n'était pas le cas dans la configuration de l'art antérieur. 2891667 8 REVENDICATIONS 1. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) à un appareil électrique par exemple de type disjoncteur, comportant un moyen de serrage du conducteur au contact d'une borne conductrice (13) de l'appareil constitué d'une vis traversant un orifice fileté (9) pratiqué dans une paroi (8) de la cage (1), laquelle présente des moyens de maintien de la borne (13) constitués de deux excroissances (4, 5) disposées en vis à vis dans le volume interne de la cage (1) la séparant en un logement (2) d'allure cylindrique pour le conducteur (11) à raccorder, dans lequel débouche la vis de serrage, et un logement (3) pour la borne (13), dans lequel débouche une vis (16) de maintien de la borne (13) s'insérant dans un orifice (17) de celle-ci, caractérisée en ce que le tracé externe des parois du logement (2) du conducteur (11), en section, est en forme d'ogive tronquée. 2. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les excroissances (4, 5) séparant le logement (2) du conducteur (11) et celui (3) de la borne (13) consistent en des renflements arrondis. 3. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la vis (16) de maintien est vissée dans un orifice fileté (7) pratiqué dans la base de la cage, dans une nervure (6) formant un bossage plan dépassant de la surface de ladite base. 4. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diamètre de la vis (16) de maintien présente une dimension comprise entre 40 % et 70 % du diamètre de l'orifice (17) pratiqué dans la borne (13). 5. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la vis de serrage et son orifice fileté (9)dans la cage (1) présentent un pas standard ISO. 6. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cage (1) est en aluminium ou en alliage à base soit d'aluminium soit de cuivre. 7. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'aluminium subit un traitement de surface à l'aide d'un produit dégradant le rendement de la liaison filetée entre la vis de serrage et la cage (1) par augmentation du frottement de la vis dans le taraudage (9). 8. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit traitement de surface est un traitement de type chromatation. 9. Cage de raccordement (1) de conducteurs (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la vis de serrage est par exemple en acier. 10.Appareil électrique de type disjoncteur ou bloc différentiel destiné à être implanté dans des lignes électriques auxquelles ils sont raccordés par connexion des conducteurs (11) de ces lignes dans des cages de raccordement (1) selon les revendications précédentes.