Brevet FR2961342A1 — publié le 20111216

APPAREIL DE COMMUTATION AVEC 'PANTOGRAPHE DE. LIAISON DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne la liaison dans un appareil de commutation électrique entre les contacts de pôles et leur mécanisme d'entraînement, pour renforcer la tenue aux chocs et optimiser l'efficacité énergétique. En particulier, l'invention est relative à un appareil de commutation comprenant une paire de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre, un des 10 contacts mobiles au moins étant actionné par un dispositif électromagnétique. ETAT DE LA TECHNIQUE Un contacteur est un dispositif de commutation à commande électrique ou pneumatique 15 dont la fonction est d'établir ou d'interrompre le passage du courant. Cet appareil électrotechnique à pouvoir de coupure important est notamment utilisé afin d'alimenter des moteurs industriels et comprend une ou plusieurs paires de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre ; un dispositif d'actionnement, notamment un actionneur électromagnétique, est relié mécaniquement à un des contacts de chaque paire au moins. 20 Le boîtier d'un contacteur loge ainsi des composants mobiles par rapport à lui. En cas de contraintes mécaniques externes, par exemple un choc ou des vibrations, le degré de liberté entre les différents composants peut entraîner un déplacement inapproprié d'un contact mobile, susceptible d'amener l'appareil de commutation dans une position non souhaitée. 25 Si des ressorts de rappel sont mis en place au niveau des contacts et dimensionnés en fonction de la masse des pièces mécaniques en mouvement pour pallier partiellement ce problème, diverses solutions additionnelles ont été proposées pour répondre aux normes nationales et internationales définissant des chocs minimaux, et notamment des accélérations, que les appareils doivent supporter sans que leur état soit modifié (voir par 30 exemple US 4 710 739 ou EP 0 684 615). En particulier, un système de contrepoids a été suggéré, avec ajout de masses à l'équipage mobile : une gestion optimisée de la différence 2746 LPu d'inertie entre les éléments de l'équipage mobile permet de réduire la sensibilité aux chocs (voir par exemple FR 1 053 523, US 45 423 296 ou WO 2009/043718). Cependant, pour certaines applications, par exemple pour le marché ferroviaire ou plus généralement le transport, les contraintes en vibration et choc imposent une raideur importante des ressorts de rappel et une augmentation conséquente de la taille de l'actionneur. Par ailleurs, d'autres utilisations peuvent générer des contraintes occasionnelles : en particulier, dans les installations industrielles, les contacteurs sont classiquement mis en place dans des armoires qui comprennent des tiroirs fonctionnels (voir par exemple EP 0 944 145), dont l'ouverture ou la fermeture peut créer des chocs qu'il serait souhaitable de contrer au niveau des commutateurs. Or, en particulier dans ce cas, la compacité des appareils de commutation reste un critère majeur. EXPOSE DE L'INVENTION Parmi autres avantages, l'invention vise à pallier des inconvénients des appareils existants, et à concevoir une géométrie optimisée du déplacement relatif entre contact et actionneur d'un appareil de commutation électrique. Dans un mode de réalisation préféré, l'invention propose un dispositif de type contacteur dans lequel une liaison pivotante, de type pantographe, entre l'actionneur et le système porte-contacts permet une démultiplication de la course couplée à une tenue aux chocs notamment les axes de déplacement du contact et de l'actionneur sont sécants, et l'agencement des composants permet de modifier le rapport de déplacement pour optimiser leur taille et leur consommation énergétique, et de maintenir l'appareil dans sa position ouverte ou fermée en présence de contraintes mécaniques externes. Plus généralement, l'invention concerne un appareil de commutation électrique comprenant un actionneur électromagnétique d'au moins un contact mobile par rapport à une ligne de raccordement, ou d'une pluralité de contacts mobiles, ledit actionneur ayant deux parties magnétiques mobiles l'une par rapport à l'autre et mobiles chacune par rapport au boîtier de l'appareil de commutation le mouvement relatif du(des) contact(s) mobile(s) par rapport au(x) deuxième(s) contact(s) est réalisé dans une première direction, sécante 2746 LPu avec la deuxième direction de mouvement relatif des deux parties mobiles de l'actionneur. Les deux parties de l'actionneur sont mobilisées par circulation d'un courant dans un circuit d'excitation de l'actionneur, par exemple une bobine, et avantageusement similaires, de même masse. Des moyens de rappel de type ressort sollicitent de préférence les deux parties de l'actionneur vers leur position de repos, dans laquelle aucun courant ne circule ; les moyens de rappel peuvent être localisés au sein de l'actionneur, ou extérieurement, par exemple entre le support de contact mobile actionné par ledit actionneur et le boîtier de l'appareil. 10 L'entraînement de chaque contact est réalisé par l'intermédiaire de deux dispositifs de liaison, avantageusement similaires, du support de contact avec chacune des parties mobiles ; les dispositifs de liaison comprennent chacun deux bielles articulées en pivotement, et forment un pantographe, de préférence un losange : les extrémités des bielles sont couplées entre elles et sont solidarisées à chacune des parties de l'actionneur, 15 au support de contact mobile, et à un point opposé. Selon un mode de réalisation, le point opposé est fixe par rapport au boîtier ; dans le mode de réalisation préféré, le point opposé est raccordé à un élément mobile symétriquement au premier contact mobile, et avantageusement de même masse que l'équipage mobile. 20 L'appareil de commutation comprend en outre des moyens de guidage d'au moins une des différentes parties mobiles. Notamment le support de contact mobile peut être associé à des moyens de guidage linéaire, avec des connexions aux dispositifs de liaison contraintes en déplacement, et/ou les deux parties de l'actionneur peuvent être associées à des moyens de guidage qui, suivant le mode de réalisation, sont courbes ou linéaires, auquel cas de 25 préférence orthogonaux au déplacement du contact. De plus, des moyens de rappel peuvent solliciter les deux parties de l'actionneur dans leur position de repos, lesdits moyens de rappel pouvant agir selon la première ou la deuxième direction suivant leur position. Plus généralement, l'invention est relative à un appareil de commutation électrique 30 comprenant un boîtier qui loge: au moins un premier et un deuxième contacts mobiles l'un par rapport à l'autre entre une position écartée et une position de passage du courant, le mouvement relatif des deux contacts s'effectuant en translation dans une première 2746 LPu direction ; un dispositif d'actionnement électromagnétique du premier contact comprenant une première partie et une deuxième partie mobiles l'une par rapport a l'autre, et un circuit d'excitation dans lequel peut circuler un courant électrique qui modifie le champ magnétique pour faire bouger les deux parties entre une position de repos lorsqu'aucun courant ne circule dans le circuit d'excitation et une position active, le mouvement relatif des deux parties s'effectuant le long d'une seconde direction ; un premier dispositif de liaison mécanique reliant la première partie du dispositif d'actionnement à un support du premier contact et un deuxième dispositif de liaison mécanique reliant la deuxième partie du dispositif d'actionnement au support du premier contact. La première et la seconde direction sont sécantes et chacun des dispositifs de liaison mécanique comprend deux bielles de façon à former un couplage de type pantographe. En particulier, des premières, bielles sont reliées entre elles et au support du premier contact à une première extrémité par une connexion pivotante, des deuxièmes bielles sont reliées entre elles et soit au boîtier, soit à une masse mobile en translation à une deuxième extrémité, et la deuxième extrémité de chaque bielle du premier, respectivement deuxième, dispositif de liaison est reliée à la première, respectivement deuxième, partie de l'actionneur par une connexion pivotante. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs, représentés dans les figures annexées. La figure 1 illustre un dispositif de commutation selon l'art antérieur. La figure 2A représente un dispositif de commutation selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; les figures 2B et 2B schématisent les forces en présence dans le cas de chocs. 30 La figure 3 donne un exemple d'actionneur et de moyens de liaison pour un appareil selon un mode de réalisation de l'invention. 2746 LPu La figure 4 montre un autre mode de réalisation selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE Tel qu'illustré en figure 1, une ligne d'alimentation 1 d'une charge électrique 2 à commander est classiquement dotée d'au moins un appareil de commutation 4 qui comprend, pour chaque phase, un dispositif de contact pouvant prendre deux positions, ouverte dans laquelle la charge 2 est isolée, ou fermée dans laquelle le courant circule dans la ligne 1. Le dispositif de contact comprend au moins un premier contact 6 mobile par rapport à un deuxième contact 8, qui est généralement fixe par rapport au boîtier 10 de l'appareil de commutation 4 ; dans le cas illustré, le dispositif de contact comprend, pour chaque pôle, un pont mobile 12 de deux contacts 6 et deux contacts fixes 8. Un ressort de pression de contact 14 peut solliciter le pont de contact 12 vers les contacts fixes 8 afin de contrer toute répulsion électrodynamique et assurer le passage du courant. Chacun des ponts mobiles 12 est actionné par un dispositif électromagnétique 20 comprenant un circuit magnétique pouvant prendre une position de repos et une position active, avec une armature mobile 22 par rapport à une culasse fixe 24 ; le mouvement relatif de l'armature mobile 22 par rapport à la culasse 24 est causé par le passage d'un courant d'excitation dans une bobine 26, alimentée de préférence par une tension d'excitation continue. Avantageusement, l'appareil de commutation 4 est à pôles contacteurs, c'est-à-dire qu'en l'absence de courant d'excitation dans la bobine 26, le pont de contact 12 est sollicité en ouverture : des moyens de rappel 28, par exemple un ressort, sollicitent l'armature mobile 22 de l'actionneur 20 en position ouverte. Lorsqu'une fermeture est requise, l'alimentation de la bobine 26 entraîne le déplacement de l'armature mobile 22 en direction de la culasse fixe 24 une liaison mécanique rigide 30 entraîne le pont de contact mobile 12 vers une position fermée de la ligne 1, le déplacement du pont 12 et de l'armature mobile 22 s'effectuant de façon solidaire dans la même direction. Ce dispositif selon l'art antérieur est résistant lorsqu'une contrainte dans la direction y orthogonale à l'axe de déplacement x des ponts 12 et armature 22 apparaît : de fait, l'armature 22 au moins est restreinte en déplacement selon son axe x par des moyens de 2746 LPu guidage, par exemple une enveloppe 32 de l'actionneur 20 ; classiquement, la liaison mécanique 30 est elle aussi guidée par des moyens appropriés 34 du boîtier 10. Cependant, en cas de choc, ou vibration, dans le sens du déplacement x, comme la culasse 24 et les contacts fixes 8 sont solidaires du boîtier 10 alors que, par principe, les contacts 6 et l'armature 22 sont mobiles, un déplacement parasite des ponts de contacts 12 peut survenir, allant jusqu'à l'ouverture de contacts 6, 8 fermés ou la fermeture de contacts ouverts malgré les ressorts 14, 28. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'actionnement des contacts mobiles 10 est modifié de façon à permettre également une tenue aux chocs et vibrations survenant dans la direction de déplacement des contacts. En particulier, tel que schématisé en figure 2A, un appareil de commutation 100 selon l'invention comprend un actionneur électromagnétique dont les deux parties sont mobiles l'une par rapport à l'autre dans une seconde direction y sécante, et de préférence orthogonale, à la première direction x de 15 déplacement du contact mobile. Plus précisément, le contacteur 100 comprend un support 102 du contact 104 mobile et un contact 106 fixe par rapport à son boîtier 108 , le support 102 est mobilisé par un dispositif d'actionnement électromagnétique 110 comprenant un circuit magnétique, formé de deux 20 parties 112, 114 mobiles l'une par rapport à l'autre, associé à un circuit d'excitation de type bobine 116. Les deux parties 112, 114 du circuit magnétique se déplacent relativement l'une par rapport à l'autre dans une deuxième direction y orthogonale à la première direction x de déplacement du support de contact mobile 102 les deux parties mobiles 112, 114 sont symétriques l'une à l'autre par rapport à un plan orthogonal à leur axe de 25 déplacement relatif y, et notamment de même masse. Le déplacement d'au moins un de ces composants mobiles 102, 112, 114 est contraint par des moyens de guidage ; en particulier, sur la figure 2A sont schématisées différentes options qui peuvent être couplées ou de préférence sont alternatives : un seul déplacement peut être contraint, les pivots des systèmes de liaison limitant les degrés de liberté des autres composants. Par exemple, un 30 guidage de l'actionneur 100 peut être mis en place avec un élément fixé au boîtier 108 comme son enveloppe 118 ou des aménagements formés dans le boîtier 108 de type rainures 118' (figure 3) un guidage 120 selon l'axe x du porte-contacts 102 peut être 2746 LPu réalisé par des rainures sur le boîtier 108. En particulier, un guidage 120 selon la première direction x associé à un pivot simple du système de liaison selon l'invention limite le degré de liberté des autres composants par sa nature propre (tel qu'il sera plus clair par la suite), ou, tel qu'illustré en figure 3, un système de guidage de type rainure 118' de l'actionneur 110 peut concerner les moyens de liaison avec le système de contact 102, 104 directement sur l'actionneur 110. Pour que le déplacement des parties mobiles 112, 114 de l'actionneur 110 entraîne le porte-contact 102, la liaison mécanique 130 est réalisée par l'intermédiaire de deux premières 10 bielles 132, 134 couplées avec chacune des parties mobiles 112, 114 à une extrémité par un système de connexion 136, pivotante selon un axe orthogonal aux première et deuxième directions x,y ; à leur autre extrémité, les deux premières bielles 132, 134 sont par ailleurs reliées entre elles et au porte-contact 102 par un système de connexion 138 pivotant selon le même axe normal. De préférence, les systèmes de connexion comprennent une tige 138 15 formant axe de rotation et/ou une liaison linéaire annulaire avec une tige 136' se déplaçant de façon contrainte le long d'un guide 118'. Cette première liaison mécanique 130 est complétée par une deuxième liaison mécanique 140 symétrique pour former un pantographe ; deux deuxièmes bielles 142, 144 reliées entre 20 elles par une liaison pivotante 148 à une extrémité sont couplées aux première et deuxième parties 112, 114 de l'actionneur 110 par le même système pivotant 136 que les premières bielles 132, 134. Le système de connexion « libre » 148 de la deuxième liaison mécanique 140 est couplé à un support 150 d'un élément additionnel 152, avantageusement de même masse que l'équipage mobile 102, 104 ; le support 150 est aligné avec le porte-contact 102 25 et se déplace selon le même axe x, en étant éventuellement guidé par des moyens symétriques (non illustré). Les première et deuxième liaisons 130, 140 forment ainsi un losange, équilibré en ce qui concerne les masses associées à ses coins opposés. Tel qu'illustré en figure 2B, dans le cas d'un choc CY sur le boîtier 108 dans la deuxième 30 direction y de déplacement du circuit magnétique 112, 114, la première partie mobile 112 induit des efforts F112 sur l'extrémité pivotante 136 des première et deuxième bielles 132, 142 qui lui sont reliées ; en particulier, elle génère une force F1112 au niveau de la première 2746 LPu bielle de liaison 132 sur le support de contact mobile 102, et une force F2112 au niveau de la deuxième bielle 142 sur le support de masse 150. Comme le contact mobile 102 et la masse 152 sont contraints en translation selon la première direction x, seule la composante transverse F 1 X et F2X des forces est susceptible de faire bouger le contact. De la même façon, la deuxième partie magnétique 114 induit des contraintes F1'114 sur le support de contact mobile 102, et F2'114 sur le support de masse 150, dont les composantes F 1'x et F2',, sont opposées. Au niveau du porte-contact 102, la force résultante comprend ainsi une composante directement reprise par les moyens de guidage 120 (transverse à ceux-ci) et une composante F lx+ F1',t dans la direction de déplacement x qui est nulle : le contact mobile 104 reste dans la même position par rapport au contact fixe 106. Tel qu'illustré en figure 2C, dans le cas d'un choc C' sur le boîtier 108 dans la première direction x de déplacement du contact mobile 102, le circuit magnétique 112, 114 est bloqué par les moyens de guidage 118. Le support de contact 102 induit de façon similaire des efforts sur chaque partie mobile 112, 114 via les premiers moyens de liaison 130, dont seule la composante transverse F l y, F2y est susceptible de faire bouger les parties mobiles 112, 114 et donc le support de contact 102. La masse supplémentaire 152 agit de la même façon mais à l'opposé, et les composantes transverses s'annulent : les parties mobiles 112, 114 ne sont pas mobilisées, et donc le contact mobile 102 reste dans la même position par rapport au contact fixe. Comme toute accélération est sans effet sur le contacteur 100, le ressort de rappel 154 de l'actionneur 110 n'a plus à prendre en compte cette contrainte, et sa raideur peut donc être diminuée ; de plus, dans le mode de réalisation préféré dans lequel les masses à chaque extrémité du pantographe de liaison 130, 140 sont équilibrées, quelle que soit la position relative de l'appareil de commutation 100, la force devant être exercée par le ressort de rappel 154 pour ramener, et maintenir, l'actionneur 100 en position ouverte est identique : un tel abaissement des courbes d'effort du contacteur 100 augmente son efficacité énergétique. Qui plus est, il est possible de réduire la taille de l'actionneur 110 lui-même, étant donné que l'effort nécessaire pour la fermeture des contacts 104, 106 (c'est-à-dire de l'actionneur 110) est diminué: des fuites magnétiques plus importantes peuvent être tolérées et donc une séparation inférieure des deux parties mobiles 112, 114. 2746 LPu Par ailleurs, pour imposer un mouvement des masses mobiles, le ressort de rappel 154 doit être configuré pour vaincre les frottements des composants mobiles de l'actionneur 110 et du système de contact 102. Selon le rapport de transformation, le ressort de rappel 154 peut être localisé classiquement, pour agir directement au niveau des parties de l'actionneur 112, 114 (comme pour la figure 1), ou pour agir directement au niveau du système de contact selon la première direction x (voir figure 2A) ; il est possible également de dédoubler les moyens de rappel 154 en mettant un ressort agissant dans chacune des directions, le dimensionnement étant alors optimisé pour vaincre les frottements de chaque composant (non illustré). En outre, l'architecture selon l'invention offre un découplage entre la distance de déplacement de l'actionneur 110 et du contact 102 il est possible de choisir un rapport de transformation optimisé pour réduire la taille de l'actionneur 110 à distance de séparation des contacts 104, 106 identique. En particulier, selon un mode de réalisation particulier tel qu'illustré en figure 3, pour un contacteur de gamme 150 A dont la course de contacts 104 est de l'ordre de 8,4 mm, l'utilisation de bielles 132, 134, 142, 144 de 30 mm et agencées pour former, en position ouverte, un angle de 10° (ou de l'ordre de 25° en position fermée) pour chacun des moyens de liaison 130, 140, la course correspondante des deux parties 112, 114 de l'actionneur 110 est réduite à 5,6 mm. Dans le cadre d'un contacteur 100 dans lequel chacune des deux parties mobiles 112, 114 de l'actionneur électromagnétique 110 est reliées au contact mobile 102 et à une masse opposée 152 par un dispositif de liaison comprenant deux bielles de liaison pivotantes 132, 134, 142, 144 pour former un pantographe équilibré, les accélérations sont ainsi supportées quelle que soit leur direction. Il est à noter cependant que des divergences par rapport à cette situation en ce qui concerne la symétrie des bielles et masses peuvent être tolérées selon la tenue aux chocs souhaitée, avec par exemple des premiers moyens de liaison 130 plus courts que les deuxièmes moyens de liaison 140 ; une adaptation des masses relatives 152, 102 peut être mise en place, notamment dans le cas où le pantographe 130, 140 de liaison ne forme pas un losange. Par ailleurs, bien que la direction orthogonale x,y des 2746 LPu déplacements soit préférée pour des simplicités de fabrication, d'autres alternatives sont possibles. Qui plus est, si seule la tenue aux chocs dans une deuxième direction de déplacement y sécante au déplacement x des contacts 104, 106 est nécessaire et/ou si l'efficacité énergétique est privilégiée, il est possible de modifier la conception précédente, avec un contacteur 200, schématisé en figure 4, dans lequel les deuxièmes moyens de liaison 240 sont reliés via le système de connexion pivotant 248 de façon fixe au boîtier 208. Dans cette configuration, le guidage des parties mobiles 212, 214 de l'actionneur 210, non linéaire, leur mouvement relatif s'effectuant selon un arc de cercle, est réalisé de préférence indirectement par guidage 220 du système porte-contact 202. De façon similaire aux explications des figures 2B et 2C, le contacteur 200 est résistants aux chocs transverses à l'axe x de déplacement du porte-contacts 202. Certes, les sommes vectorielles des forces générées par les accélérations ne sont pas toutes annulées ; cependant, par rapport à l'art antérieur, il est en outre possible d'optimiser les courbes d'effort du contacteur 200 et donc de diminuer la force de rappel et la taille de l'actionneur 210. A titre indicatif, la liaison pivotante avec bielle selon l'invention illustrée dans les deux modes de réalisation précédents peut être adaptée pour un actionneur dont la culasse est fixe par rapport au boîtier (non illustré - voir « moitié » droite ou gauche des figures 2A, 3 ou 4) chaque moyen de liaison 130, 140 comprend alors une seule bielle entre partie magnétique et contact et/ou masse. Cette configuration permet de faire dévier la direction de déplacement du contact par rapport à l'actionneur. Bien que l'invention ait été décrite en référence à un appareil de commutation 100 électrique à pont de contact 102 actionné par un dispositif électromagnétique à pôles contacteurs 110, elle ne s'y limite pas : d'autres éléments peuvent être concernés par l'invention. En particulier, tout type d'actionneur linéaire, qu'il soit électromagnétique en E ou en U, ou électrodynamique à bobine mobile (actionneurs de type «voice coil » selon la terminologie anglo-saxonne), et tout type d'appareil de commutation, disjoncteur ou interrupteur, à pôles rupteurs ou à pôles contacteurs, à simple contact ou à ponts de contacts, peuvent être adaptés selon le principe de l'invention. Notamment, les modes de 2746 LPu réalisation ont été présentés schématiquement, avec un seul pont de contact mobile, mais il est entendu que le même principe peut s'adapter immédiatement avec une pluralité de contacts pour une alimentation multi-phase tel qu'illustré en figure 1.