EP1818959A1 - Dispositif de commutation électrique aux contacts électriques renforcés - Google Patents

Dispositif de commutation électrique aux contacts électriques renforcés Download PDF

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EP1818959A1
EP1818959A1 EP07290086A EP07290086A EP1818959A1 EP 1818959 A1 EP1818959 A1 EP 1818959A1 EP 07290086 A EP07290086 A EP 07290086A EP 07290086 A EP07290086 A EP 07290086A EP 1818959 A1 EP1818959 A1 EP 1818959A1
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fixed
contact
electrical switch
elements
movable
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Alain Fontanet
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Legrand SNC
Legrand France SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/50—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position
    • H01H1/54—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position by magnetic force
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts

Definitions

  • the present invention relates to electrical switches which comprise stationary and mobile contact elements capable of generating, at the passage of the current, an electromagnetic field which creates a force of attraction of said contact elements between them.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the realization of an intersection or a switch.
  • the contact areas between the fixed and moving contact elements are of small surface area.
  • the passage of the current is then concentrated on these surfaces of small dimensions, which causes a necking of the current creating electromagnetic fields at the origin of Laplace forces pushing said moving contact elements out of contact with said fixed contact elements.
  • An electric arc can then be created between the fixed and moving contact elements.
  • Such an electric arc has adverse consequences on the operation of the electrical switch. For example, it can develop a thermal power that can superficially melt parts of said fixed and movable contactors which, if they come into contact with each other, can be welded together.
  • switches In order to avoid this phenomenon of magnetic repulsion between the fixed and mobile contact elements, switches have been developed in which said moving contactor elements are capable of generating, at the passage of the current, an electromagnetic field which creates a force of attraction said contacting elements fixed and movable with each other.
  • the current in each of the moving contact elements must be split into exactly two equal parts. In fact, if it splits into two unequal parts, the value of the forces of attraction falls sharply. Thus, it is necessary that the moving contact elements have similar geometries. It is also necessary that the electrical resistances formed by the contact zones between the different fixed and moving contactor elements are identical. This implies that the electrical switch comprises on each movable contactor element additional support mechanical support, such as a spring, so that the pressures applied at the contact areas by the two movable contact elements are equal, which increases the cost and difficulty of implementation of the electrical switch.
  • the two turns have, for the passage of the plate through them, openings which reduce the intensity of the electromagnetic fields they generate.
  • the position of the two turns relative to each other does not allow them to create around the moving contact element a uniform electromagnetic field and significant intensity. Therefore, in order to create a magnetic field sufficient to counter the repulsive effects, the turns must have significant dimensions, which makes them bulky. This size is further increased by the arrangement of the turns in the extension of one another.
  • the elongated shape of the turns allows only a small clearance in height of the plate to open or close the electrical contact between the turns. Therefore, when the electrical switch is open, if the potential difference between the two turns is large, the small distance between the ends of the plate of the ends of turns may cause dangerous arcing.
  • the present invention proposes an electrical switch provided with a limited number of parts, less expensive to produce and easier to assemble.
  • an electrical switch comprising two fixed contactor elements and a movable contactor element adapted to electrically connect two contact zones of the two fixed contactor elements located on one axis, the two fixed contactor elements having turns forms.
  • the movable contact member having a lamella shape which is arranged between the two fixed contactors and whose greatest length extends parallel to the turns, the two fixed contact elements being adapted during the passage of the current, to create, in the space in which is located said moving contactor element, an electromagnetic field oriented in a direction different from that of the axis passing through the two contact zones, to create on the movable contactor element a pulling force directed towards said contact areas.
  • the shapes and positions of the fixed contactor elements make it possible to create a relatively uniform electromagnetic field between the turns and of high intensity, which is oriented so that it generates a Laplace force to counteract the repulsive forces.
  • the Laplace forces being proportional to the angle formed between the direction of the electromagnetic field and that of the current in the moving contactor element (which corresponds here to the direction of the axis passing through the two contact zones), the position of the movable contact element generates maximum attraction forces. Furthermore, a single mobile contactor element is sufficient here to implement the electrical switch according to the invention, which reduces its cost of production.
  • the moving contactor element since the moving contactor element is located between the turns, it can deviate from the two contact zones by a large height, for example equal to the height of the turns.
  • a large height for example equal to the height of the turns.
  • each turn is formed by a thin lamella of significant height extending in a rectangle.
  • the spiral-shaped fixed contactor element when traversed by an electric current, it produces an electromagnetic field in a direction normal to the plane of the turn.
  • the movable contactor element which advantageously extends longitudinally in a direction parallel to the plane of the turn, is then subjected to a Laplace force of significant value oriented perpendicularly to its length in the direction of the contact zones of the fixed contactor elements. .
  • the coil extending in a rectangle shape, its size is reduced, which reduces the overall size of the electrical switch.
  • the lamella constituting said fixed contact member comprises on at least a part of its length a return oriented towards the other fixed contactor element.
  • each contact zone of each fixed contacting element extends in a plane comprising the directions of the electromagnetic field and the axis passing through the two contact zones.
  • the movable contactor element comprises two rivets adapted to cooperate with two rivets arranged on each contact zone of each fixed contactor element.
  • the contact surfaces between the movable contact member and the contact areas comprise a calibrated area so that the repulsion forces to be countered have values that can be approximated.
  • each fixed contactor element has a shape adapted, during the passage of the current, to create, in the space in which is located said movable contactor element, a uniform electromagnetic field.
  • the two turns formed by the fixed contacting elements are arranged coaxially and parallel to one another and are separated from each other by a distance equal to the width of the openings which they delimit internally. in a position called Helmholtz.
  • Helmholtz coils form a device consisting of two circular turns of the same radius, parallel, and placed coaxially at a distance from each other equal to their radius. By circulating an electric current in these turns, a magnetic field is created in their vicinity which has the particularity of being relatively uniform. This device has the advantage of being efficient while being inexpensive.
  • the turns are not circular, for reasons of space, but they are arranged in the position of Helmholtz, so that their performances are almost identical to those of circular turns.
  • the electromagnetic field created by the turns has a maximum value.
  • each of the fixed and mobile contactor elements is made of copper.
  • the fixed contact elements are identical.
  • Figure 1 schematically shows an electrical switch 1 to be connected to two branches of an electrical circuit to open or close.
  • This electrical switch 1 here a modular apparatus, comprises a housing 2 in the form of a rectangular wafer, in which are arranged two fixed contactor elements 10, 20 and a movable contactor element 30 which is controlled in position by means control unit 40 for electrically connecting the two fixed contact elements 10, 20.
  • the housing 2 has a bottom wall 2A and a front face accessible to a user, and four side walls, two main.
  • each fixed contact element 10, 20 has an identical shape adapted, during the passage of an electric current in the electrical switch 1, to create an electromagnetic field B. More precisely, each fixed contact element 10, 20 has a first portion 10A, 20A intended to be connected to a branch of said electric circuit, and a second portion in the form of a turn 10B, 20B.
  • the first parts 10A, 20A of the fixed contact elements each consist of a thin strip extending in a plane parallel to the bottom wall 2A of the housing 2, along the same axis V but in opposite directions.
  • the turns 10B, 20B are each constituted by a thin slat having a large section height. Each lamella extends in a plane parallel to the main lateral faces of the casing 2, and forms a square loop defining a square central opening. The planes in which the two turns 10B, 20B extend are therefore parallel to each other and are separated from each other by a distance equal to the width of the central openings that the turns delimit internally.
  • Each turn 10B, 20B thus has four straight branches including a first lower leg 13A, 23A which is fixed to the bottom wall of the housing 2 and which is connected to the first portion 10A, 20A of the corresponding fixed contactor element 10, 20 .
  • the free end of this first branch has an elbow oriented towards the other fixed contacting element 10, the upper edge of which is connected to the first part 10A, 20A of the corresponding fixed contact element 10, 20.
  • the fourth branch 13B, 23B of each turn extends to near the first branch 13A, 23A so that each turn is almost closed.
  • the end of this fourth branch 13B, 23B is also bent and extends in a plane parallel to the bottom wall 2A of the housing 2, in the direction of the other fixed contact element 10, 20. This bent end then forms a contact zone 11, 21 facing towards the front of the housing 2.
  • the movable contactor element 30 forms a rectangular lamella whose greatest length extends in a direction of axis V parallel to the bottom wall 2A of the housing 2 and the plane of the turns 10B, 20B. It is arranged between the two turns 10B, 20B. More precisely, the two turns being arranged facing one another, they delimit between them a space in which is disposed the movable contactor element 30.
  • the two ends of the movable contactor element 30 and the contact areas 11, 21 of the fixed contact elements 10, 20 are each pierced with an opening accommodating a rivet 12, 22, 32 fixed by welding.
  • each of the fixed contactor elements 10, 20 and mobile 30 is made of a non-magnetic conductive material such as copper.
  • the rivets are in turn made of silver to limit the resistive losses at the contact points between the rivets 12, 22, 32 of the fixed switching elements 10, 20 and mobile 30.
  • control means 40 of the electrical switch 1 comprise a base 43 fixed to the movable contactor element 30 and extending longitudinally from this movable contactor element towards the front face of the housing 2.
  • the control means 40 further comprise an axis 41 which is pivotally mounted between the two main side walls of the housing 2, close to its front face, and which has two stable angular positions.
  • This axis 41 has on its cylindrical wall two tabs 41A, 41B spaced angularly from one another, including a first tab 41A protruding from the front face of the housing 2 to be manually manipulated by a user.
  • the other tab 41B is connected by a rod 42 to the base 43 so as to transform a rotational movement of the axis 41 into a translation movement of the base 43 towards the bottom wall 2A of the housing 2.
  • the movable contactor element 30 In a stable position of the axis 41, the movable contactor element 30 is in contact with the two fixed contactor elements 10, 20, and in the other, it is out of contact.
  • control means 40 comprise a return spring 44 placed in compression between the bottom wall 2A of the housing 2 and the movable contactor element 30.
  • the slats which form each turn 10B ', 20B' comprise over at least a part of their length a return 15, 25 directed towards the other fixed contactor element 10 ', 20'.
  • each turn 10B ', 20B' is folded over its entire length in a plane parallel to the bottom wall 2A of the housing 2 to form a flange which is fixed to the same bottom wall.
  • Each fixed contactor element 10, 20 then has a lower height and therefore a smaller footprint without its electromagnetic characteristics are substantially modified.
  • the user rotates the axis 41 so that the base 43 exerts a normal support on the movable contact member 30 so that its two rivets 32 come into contact with each of the rivets 12, 22 of the fixed contact elements 10, 20.
  • each fixed contactor element 10, 20 generates, as shown more particularly in FIG. 4, a uniform electromagnetic field B between the two turns 10B, 20B, whose field lines are directed in the space defined between the two turns, in a direction W orthogonal to the plane of the turns.
  • the movable contactor element 30, which is disposed in this space, is exposed to this electromagnetic field B. However, since it is traversed from one of its ends to the other by an electric current, it is subjected to a force Laplace called attraction force F, directed towards the bottom wall 2A of the housing 2.
  • This attraction force F has the effect of attracting the movable contact element 30 in contact with the fixed contact elements 10, 20.
  • the repulsion forces Fr take very large values. They are advantageously countered by the attraction force F which also increases proportionally to the square of the value of the current flowing through the moving contactor element 30.
  • the user can act on the axis 41 in order to put the moving contact element 30 out of contact with the fixed contact elements 10, 20.

Landscapes

  • Contacts (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Push-Button Switches (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)
  • Linear Motors (AREA)
  • Cookers (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un commutateur électrique comportant deux éléments contacteurs fixes (10, 20) et un élément contacteur mobile (30) adapté à raccorder électriquement deux zones de contact des deux éléments contacteurs fixes situées sur un axe (V), les deux éléments contacteurs fixes présentant des formes de spires disposées en regard l'une de l'autre, l'élément contacteur mobile présentant une forme de lamelle qui est disposée entre les deux éléments contacteurs fixes et dont la plus grande longueur s'étend parallèlement aux spires, les deux éléments contacteurs fixes étant adaptés, lors du passage du courant, à créer, dans l'espace dans lequel se situe ledit élément contacteur mobile, un champ électromagnétique (B) orienté selon une direction (W) différente de celle de l'axe passant par les deux zones de contact, pour créer sur l'élément contacteur mobile une force d'attraction (F) dirigée vers lesdites zones de contact.

Description

  • La présente invention concerne les commutateurs électriques qui comprennent des éléments contacteurs fixes et mobiles capables d'engendrer, au passage du courant, un champ électromagnétique qui crée une force d'attraction desdits éléments contacteurs entre eux.
  • L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation d'un intersectionneur ou d'un interrupteur.
    • ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
  • De manière générale, dans les commutateurs électriques, les zones de contact entre les éléments contacteurs fixes et mobiles sont de faible surface. Le passage du courant est alors concentré sur ces surfaces de faibles dimensions, ce qui provoque une striction du courant créant des champs électromagnétiques à l'origine de forces de Laplace repoussant lesdits éléments contacteurs mobiles hors du contact avec lesdits éléments contacteurs fixes.
  • Ces forces de répulsion, proportionnelles au carré de la valeur de l'intensité du courant, sont négligeables tant que le courant passant dans le commutateur, fonctionnant normalement, conserve une valeur dite modérée. Elles sont indépendantes du sens du courant.
  • En revanche, lorsque la valeur de l'intensité du courant augmente brutalement, par exemple lors d'un court-circuit, ces forces de répulsion peuvent prendre des valeurs importantes et provoquer l'ouverture du contact entre les éléments contacteurs fixes et mobiles.
  • Un arc électrique peut alors se créer entre les éléments contacteurs fixes et mobiles. Un tel arc électrique a des conséquences néfastes sur le fonctionnement du commutateur électrique. Par exemple, il peut développer une puissance thermique pouvant faire fondre superficiellement des parties desdits éléments contacteurs fixes et mobiles qui, s'ils reviennent en contact les uns avec les autres, peuvent se souder entre eux.
  • Afin d'éviter ce phénomène de répulsion magnétique entre les éléments contacteurs fixes et mobiles, il a été développé des commutateurs dans lesquels lesdits éléments contacteurs mobiles sont capables d'engendrer, au passage du courant, un champ électromagnétique qui crée une force d'attraction desdits éléments contacteurs fixes et mobiles entre eux.
  • En particulier, on connaît un tel commutateur électrique dans lequel il est prévu deux éléments contacteurs mobiles qui se présentent sous la forme de fines lamelles disposées de part et d'autre de deux éléments contacteurs fixes et adaptées à venir au contact des extrémités libres de ces éléments contacteurs fixes. Ainsi, lors du passage du courant, une première partie du courant passe par un des éléments contacteurs mobiles et une seconde partie de ce courant passe par l'autre des éléments contacteurs mobiles. Le passage du courant dans chacun des deux éléments contacteurs mobiles crée des forces d'attraction des éléments contacteurs mobiles l'un vers l'autre qui contrarient lesdites forces de répulsion.
  • L'inconvénient principal d'un tel commutateur électrique est qu'il nécessite, pour fonctionner, deux éléments contacteurs mobiles, ce qui augmente son coût et son encombrement.
  • Par ailleurs, pour que les forces d'attraction puissent contrer lesdites forces de répulsion, il faut que le courant se scinde, dans chacun des éléments contacteurs mobiles, exactement en deux parties égales. En effet, s'il se scinde en en deux parties non égales, la valeur des forces d'attraction chute fortement. Ainsi, il est nécessaire que les éléments contacteurs mobiles présentent des géométries similaires. Il est également nécessaire que les résistances électriques formées par les zones de contact entre les différents éléments contacteurs fixes et mobiles soient identiques. Ceci implique que le commutateur électrique comporte sur chaque élément contacteur mobile un soutien supplémentaire d'appui mécanique, tel qu'un ressort, pour que les pressions appliquées au niveau des zones de contact par les deux éléments contacteurs mobiles soient égales, ce qui accroît le coût et la difficulté de mise en oeuvre du commutateur électrique.
  • On connaît également du document US 4 467 301 un commutateur électrique comprenant deux éléments contacteurs fixes en forme de spires allongées qui présentent chacune une extrémité libre et qui sont disposées dans le prolongement l'une de l'autre. Ce commutateur électrique comporte également un élément contacteur mobile, formé par une plaque qui traverse les spires selon un axe parallèle à l'axe passant par les centres des deux spires. Lorsque la plaque s'abaisse, les extrémités de cette plaque sont adaptées à réaliser un contact électrique entre les extrémités des deux spires. Chaque spire engendre alors, lorsqu'elle est traversée par un courant électrique, un champ électromagnétique qui plaque l'élément contacteur mobile contre les extrémités des deux spires, ce qui contre les effets de répulsion.
  • Cependant, les deux spires présentent, pour le passage de la plaque au travers d'elles, des ouvertures qui diminuent l'intensité des champs électromagnétiques qu'elles engendrent. En outre, la position des deux spires l'une par rapport à l'autre ne leurs permet pas de créer autour de l'élément contacteur mobile un champ électromagnétique uniforme et d'intensité importante. Par conséquent, afin de créer un champ magnétique suffisant pour contrer les effets de répulsion, les spires doivent présenter des dimensions importantes, ce qui les rend encombrantes. Cet encombrement est en outre accru par la disposition des spires dans le prolongement l'une de l'autre.
  • Enfin, la forme allongée des spires n'autorise qu'un faible débattement en hauteur de la plaque pour ouvrir ou fermer le contact électrique entre les spires. De ce fait, lorsque le commutateur électrique est ouvert, si la différence de potentiels entre les deux spires est importante, la faible distance séparant les extrémités de la plaque des extrémités des spires risque d'engendrer de dangereux arcs électriques.
    • OBJET DE L'INVENTION
  • Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose un commutateur électrique pourvu d'un nombre restreint de pièces, moins coûteux à réaliser et plus simple d'assemblage.
  • Plus particulièrement, on propose selon l'invention un commutateur électrique comportant deux éléments contacteurs fixes et un élément contacteur mobile adapté à raccorder électriquement deux zones de contact des deux éléments contacteurs fixes situées sur un axe, les deux éléments contacteurs fixes présentant des formes de spires disposées en regard l'une de l'autre, l'élément contacteur mobile présentant une forme de lamelle qui est disposée entre les deux éléments contacteurs fixes et dont la plus grande longueur s'étend parallèlement aux spires, les deux éléments contacteurs fixes étant adaptés, lors du passage du courant, à créer, dans l'espace dans lequel se situe ledit élément contacteur mobile, un champ électromagnétique orienté selon une direction différente de celle de l'axe passant par les deux zones de contact, pour créer sur l'élément contacteur mobile une force d'attraction dirigée vers lesdites zones de contact.
  • Ainsi, grâce à l'invention, les formes et positions des éléments contacteurs fixes permettent de créer un champ électromagnétique relativement uniforme entre les spires et d'intensité importante, qui est orienté de telle sorte qu'il engendre une force de Laplace permettant de contrer les forces de répulsion.
  • Les forces de Laplace étant proportionnelles à l'angle formé entre la direction du champ électromagnétique et celle du courant dans l'élément contacteur mobile (ce qui correspond ici à la direction de l'axe passant par les deux zones de contact), la position de l'élément contacteur mobile génère des forces d'attraction maximales. Par ailleurs, un unique élément contacteur mobile suffit ici pour mettre en oeuvre le commutateur électrique selon l'invention, ce qui réduit son coût de production.
  • D'autre part, grâce à l'architecture du commutateur, puisque l'élément contacteur mobile est situé entre les spires, il peut s'écarter des deux zones de contact d'une hauteur importante, par exemple égale à la hauteur des spires. Ainsi, lorsque le commutateur est ouvert, et que les deux zones de contact sont à des potentiels très différents, aucun arc électrique ne se forme. Cette hauteur confère donc au commutateur une tenue diélectrique très importante.
  • Selon une première caractéristique avantageuse du commutateur électrique conforme à l'invention, chaque spire est formée par une fine lamelle de hauteur importante s'étendant selon un rectangle.
  • Ainsi, lorsque l'élément contacteur fixe en forme de spire est traversé par un courant électrique, il produit un champ électromagnétique selon une direction normale au plan de la spire. L'élément contacteur mobile qui, avantageusement, s'étend longitudinalement selon une direction parallèle au plan de la spire, est alors soumis à une force de Laplace de valeur importante orientée perpendiculairement à sa longueur dans la direction des zones de contact des éléments contacteurs fixes. Par ailleurs, la spire s'étendant selon une forme de rectangle, son encombrement est réduit, ce qui permet de diminuer l'encombrement global du commutateur électrique.
  • Avantageusement, la lamelle constituant ledit élément contacteur fixe comporte sur au moins une partie de sa longueur un retour orienté vers l'autre élément contacteur fixe.
  • Ainsi, la présence de ce retour permet de diminuer l'encombrement de la spire formée par l'élément contacteur fixe sans pour autant diminuer la valeur du champ électromagnétique induit par celle-ci.
  • Selon une autre caractéristique avantageuse du commutateur électrique conforme à l'invention, chaque zone de contact de chaque élément contacteur fixe s'étend dans un plan comprenant les directions du champ électromagnétique et de l'axe passant par les deux zones de contact.
  • Avantageusement, l'élément contacteur mobile comporte deux rivets adaptés à coopérer avec deux rivets disposés sur chaque zone de contact de chaque élément contacteur fixe.
  • Ainsi, les surfaces de contact entre l'élément contacteur mobile et les zones de contact comportent une superficie calibrée de telle sorte que les forces de répulsion à contrer présentent des valeurs qu'il est possible d'approximer.
  • Préférentiellement, chaque élément contacteur fixe présente une forme adaptée, lors du passage du courant, à créer, dans l'espace dans lequel se situe ledit élément contacteur mobile, un champ électromagnétique uniforme.
  • Avantageusement, les deux spires formées par les éléments contacteurs fixes sont disposées coaxialement et parallèlement l'une par rapport à l'autre et sont séparées l'une de l'autre d'une distance égale à la largeur des ouvertures qu'elles délimitent intérieurement, dans une position dite de Helmholtz.
  • Pour mémoire, des bobines dites de Helmholtz forment un dispositif constitué de deux spires circulaires de même rayon, parallèles, et placées coaxialement à une distance l'une de l'autre égale à leur rayon. En faisant circuler un courant électrique dans ces spires, un champ magnétique est créé dans leur voisinage qui a la particularité d'être relativement uniforme. Ce dispositif présente l'avantage d'être performant tout en étant peu coûteux.
  • Ici, les spires ne sont pas circulaires, pour une raison d'encombrement, mais elles sont disposées dans la position de Helmholtz, de manière que leurs performances soient quasiment identiques à celles de spires circulaires.
  • Ainsi, le champ électromagnétique créé par les spires présente une valeur maximale.
  • D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du commutateur électrique selon l'invention sont les suivantes :
    • la direction du champ électromagnétique est orthogonale à la direction de l'axe passant par les deux zones de contact ; et
    • l'élément contacteur mobile est réalisé dans un matériau conducteur non magnétique.
  • Avantageusement, chacun des éléments contacteurs fixes et mobile est réalisé en cuivre.
  • Avantageusement enfin, les éléments contacteurs fixes sont identiques.
  • Ainsi, le coût de fabrication du commutateur électrique est diminué.
    • DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION
  • La description qui va suivre en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
  • Sur les dessins annexés :
    • la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un commutateur électrique selon l'invention ;
    • la figure 2 est une vue éclatée en perspectives des éléments contacteurs fixes et mobile du commutateur électrique de la figure 1 ;
    • la figure 3 est une vue schématique assemblée des éléments contacteurs fixes et mobile de la figure 2 ;
    • la figure 4 une vue schématique des éléments contacteurs fixes et mobile de la figure 3 illustrant des lignes de champ électromagnétique ; et
    • la figure 5 est une vue schématique assemblée d'une variante de réalisation des éléments contacteurs fixes et mobile de la figure 3.
  • Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un commutateur électrique 1 destiné à être raccordé à deux branches d'un circuit électrique pour l'ouvrir ou le fermer.
  • Ce commutateur électrique 1, ici un appareillage modulaire, comporte un boîtier 2 se présentant sous la forme d'une plaquette rectangulaire, dans lequel sont disposés deux éléments contacteurs fixes 10, 20 et un élément contacteur mobile 30 qui est commandé en position par des moyens de commande 40 pour raccorder électriquement les deux éléments contacteurs fixes 10, 20.
  • Le boîtier 2 présente une paroi de fond 2A et une face avant accessible à un utilisateur, ainsi que quatre parois latérales dont deux principales.
  • Avantageusement, comme le montre plus particulièrement la figure 2, les deux éléments contacteurs fixes 10, 20 présentent une forme identique adaptée, lors du passage d'un courant électrique dans le commutateur électrique 1, à créer un champ électromagnétique B. Plus précisément, chaque élément contacteur fixe 10, 20 présente une première partie 10A, 20A destinée à être raccordée à une branche dudit circuit électrique, et une deuxième partie en forme de spire 10B, 20B.
  • Les premières parties 10A, 20A des éléments contacteurs fixes sont chacune constituées d'une fine lamelle s'étendant dans un plan parallèle à la paroi de fond 2A du boîtier 2, selon un même axe V mais dans des directions opposées.
  • Les spires 10B, 20B sont également chacune constituées d'une fine lamelle présentant une section de hauteur importante. Chaque lamelle s'étend dans un plan parallèle aux faces latérales principales du boîtier 2, et forme une boucle carrée définissant une ouverture centrale carrée. Les plans dans lesquels s'étendent les deux spires 10B, 20B sont par conséquent parallèles entre eux et sont séparés l'un de l'autre d'une distance égale à la largeur des ouvertures centrales que les spires délimitent intérieurement.
  • Chaque spire 10B, 20B présente donc quatre branches droites dont une première branche inférieure 13A, 23A qui est fixée à la paroi de fond du boîtier 2 et qui est raccordée à la première partie 10A, 20A de l'élément contacteur fixe 10, 20 correspondant.
  • Pour cela, l'extrémité libre de cette première branche présente un coude orienté vers l'autre élément contacteur fixe 10, 20 dont le bord supérieur est raccordé à la première partie 10A, 20A de l'élément contacteur fixe 10, 20 correspondant.
  • La quatrième branche 13B, 23B de chaque spire s'étend jusqu'à proximité de la première branche 13A, 23A de sorte que chaque spire est quasiment fermée. L'extrémité de cette quatrième branche 13B, 23B est également coudée et s'étend dans un plan parallèle à la paroi de fond 2A du boîtier 2, en direction de l'autre élément contacteur fixe 10, 20. Cette extrémité coudée forme alors une zone de contact 11, 21 tournée vers la face avant du boîtier 2.
  • En d'autres termes, les deux spires présentent des formes de boucles rectangulaires, coaxiales et séparées l'une de l'autre d'une distance égale à la largeur des ouvertures centrales qu'elles délimitent intérieurement. Cette distance correspond ici à la distance séparant la première branche de la quatrième branche de chaque spire.
  • L'élément contacteur mobile 30 forme une lamelle rectangulaire dont la plus grande longueur s'étend selon une direction d'axe V parallèle à la paroi de fond 2A du boîtier 2 et aux plans des spires 10B, 20B. Il est disposé entre les deux spires 10B, 20B. Plus précisément, les deux spires étant disposées en regard l'une de l'autre, elles délimitent entre elles un espace dans lequel est disposé l'élément contacteur mobile 30.
  • Les deux extrémités de l'élément contacteur mobile 30 et les zones de contact 11, 21 des éléments contacteurs fixes 10, 20 sont chacune percées d'une ouverture accueillant un rivet 12, 22, 32 fixé par soudure.
  • Ces rivets sont adaptés à prendre appui les uns contre les autres lorsque, comme le montre la figure 3, l'élément contacteur mobile 30 vient au contact des éléments contacteurs fixes 10, 20.
  • Avantageusement, chacun des éléments contacteurs fixes 10, 20 et mobile 30 est réalisé dans un matériau conducteur non magnétique tel que le cuivre.
  • Les rivets sont quant à eux réalisés en argent afin de limiter les pertes résistives au niveau des points de contact entre les rivets 12, 22, 32 des éléments commutateurs fixes 10, 20 et mobile 30.
  • Comme le montre plus particulièrement la figure 1, les moyens de commande 40 du commutateur électrique 1 comprennent un socle 43 fixé à l'élément contacteur mobile 30 et s'étendant longitudinalement à partir de cet élément contacteur mobile vers la face avant du boîtier 2.
  • Les moyens de commande 40 comprennent en outre un axe 41 qui est monté pivotant entre les deux parois latérales principales du boîtier 2, à proximité de sa face avant, et qui présente deux positions angulaires stables.
  • Cet axe 41 comporte sur sa paroi cylindrique deux pattes 41A, 41B écartées angulairement l'une de l'autre, dont une première patte 41A faisant saillie de la face avant du boîtier 2 afin d'être manipulable manuellement par un utilisateur. L'autre patte 41B est quant à elle raccordée par une tige 42 au socle 43 de manière à pouvoir transformer un mouvement de rotation de l'axe 41 en un mouvement de translation du socle 43 vers la paroi de fond 2A du boîtier 2.
  • Dans une position stable de l'axe 41, l'élément contacteur mobile 30 est en contact avec les deux éléments contacteurs fixes 10, 20, et, dans l'autre, il est hors contact.
  • Enfin, les moyens de commande 40 comportent un ressort de rappel 44 disposé en compression entre la paroi de fond 2A du boîtier 2 et l'élément contacteur mobile 30.
  • Selon une variante de réalisation de l'invention, comme le montre la figure 5, les lamelles qui forment chaque spire 10B', 20B' comportent sur au moins une partie de leur longueur un retour 15, 25 orienté vers l'autre élément contacteur fixe 10', 20'.
  • Plus précisément, ici, la première branche inférieure de chaque spire 10B', 20B' est repliée sur toute sa longueur dans un plan parallèle à la paroi de fond 2A du boîtier 2 pour former un rebord qui est fixé à cette même paroi de fond.
  • Chaque élément contacteur fixe 10, 20 présente alors une hauteur moindre et par conséquent un encombrement réduit sans que ses caractéristiques électromagnétiques ne soient pour autant sensiblement modifiées.
  • Quoi qu'il en soit, pour fermer le contact électrique entre les deux éléments contacteurs fixes 10, 20, l'utilisateur fait pivoter l'axe 41 de manière à ce que le socle 43 exerce un appui normal sur l'élément contacteur mobile 30 pour que ses deux rivets 32 viennent au contact de chacun des rivets 12, 22 des éléments contacteurs fixes 10, 20.
  • La description du fonctionnement du commutateur électrique va être décrite en référence aux figures 3 et 4.
  • En fonctionnement normal, lorsqu'un courant dit modéré traverse le commutateur électrique 1, ce courant passe dans l'une des deux spires 10B, 20B, parcourt l'élément contacteur mobile 30 d'une de ses extrémités à l'autre, puis passe dans l'autre des deux spires 10B, 20B.
  • Le passage du courant dans les rivets 12, 22, 32 est concentré dans une section de faible dimension, ce qui provoque une striction du courant et engendre alors des champs électromagnétiques secondaires au niveau de ces rivets. Ces champs électromagnétiques secondaires créent des forces de répulsion Fr ayant tendance à repousser l'élément contacteur mobile 30 hors du contact avec les éléments contacteurs fixes 10, 20.
  • Par ailleurs, toujours en fonctionnement normal, le passage du courant dans chaque élément contacteur fixe 10, 20 engendre, comme le montre plus particulièrement la figure 4, un champ électromagnétique B uniforme entre les deux spires 10B, 20B, dont les lignes de champ sont dirigées, dans l'espace défini entre les deux spires, selon une direction W orthogonale aux plans des spires.
  • L'élément contacteur mobile 30, qui est disposé dans cet espace, est exposé à ce champ électromagnétique B. Or, puisqu'il est traversé d'une de ses extrémités à l'autre par un courant électrique, il est soumis à une force de Laplace appelée force d'attraction F, dirigée vers la paroi de fond 2A du boîtier 2. Cette force d'attraction F a pour effet d'attirer l'élément contacteur mobile 30 au contact des éléments contacteurs fixes 10, 20.
  • Ces forces d'attraction F et de répulsion Fr conservent en fonctionnement normal des valeurs modérées comparées aux valeurs des efforts mécaniques engendrés par les moyens de commande 40 et aux valeurs des efforts de gravité.
  • En revanche, lorsque la valeur du courant traversant le commutateur électrique 1 augmente brutalement, par exemple lors d'un court-circuit, les forces de répulsion Fr prennent des valeurs très importantes. Elles sont avantageusement contrées par la force d'attraction F qui augmente elle aussi proportionnellement au carré de la valeur du courant qui traverse l'élément contacteur mobile 30.
  • Les différents rivets 12, 22, 32 restent donc en contact les uns avec les autres si bien qu'aucun arc électrique dommageable pour le commutateur électrique 1 ne se crée.
  • Pour ouvrir le contact, l'utilisateur peut agir sur l'axe 41 afin de mettre hors contact l'élément contacteur mobile 30 par rapport aux éléments contacteurs fixes 10, 20.
  • La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.

Claims (11)

  1. Commutateur électrique (1) comportant deux éléments contacteurs fixes (10, 20 ; 10', 20') et un élément contacteur mobile (30) adapté à raccorder électriquement deux zones de contact (11, 21) des deux éléments contacteurs fixes (10, 20 ; 10', 20') situées sur un axe (V), les deux éléments contacteurs fixes (10, 20 ; 10', 20') présentant des formes de spires (10B, 20B ; 10B', 20B') disposées en regard l'une de l'autre, l'élément contacteur mobile (30) présentant une forme de lamelle qui est disposée entre les deux éléments contacteurs fixes (10, 20 ; 10', 20') et dont la plus grande longueur s'étend parallèlement aux spires (10B, 20B ; 10B', 20B'), les deux éléments contacteurs fixes (10, 20 ; 10', 20') étant adaptés, lors du passage du courant, à créer, dans l'espace dans lequel se situe ledit élément contacteur mobile (30), un champ électromagnétique (B) orienté selon une direction (W) différente de celle de l'axe (V) passant par les deux zones de contact (11, 21), pour créer sur l'élément contacteur mobile (30) une force d'attraction (F) dirigée vers lesdites zones de contact (11, 21).
  2. Commutateur électrique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque spire (10B, 20B ; 10B', 20B') est formée par une lamelle fine de hauteur importante s'étendant selon un rectangle.
  3. Commutateur électrique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la lamelle constituant ledit élément contacteur fixe (10', 20') comporte sur au moins une partie de sa longueur un retour (15, 25) orienté vers l'autre élément contacteur fixe (10', 20').
  4. Commutateur électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque zone de contact (11, 21) de chaque élément contacteur fixe (10, 20 ; 10', 20') s'étend dans un plan comprenant les directions (W) du champ électromagnétique (B) et de l'axe (V) passant par les deux zones de contact (11, 21).
  5. Commutateur électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément contacteur mobile (30) comporte deux rivets (32) adaptés à coopérer avec deux rivets (12, 22) disposés sur chaque zone de contact (11, 21) de chaque élément contacteur fixe (10, 20 ; 10', 20').
  6. Commutateur électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque élément contacteur fixe (10, 20 ; 10', 20') présente une forme adaptée, lors du passage du courant, à créer, dans l'espace dans lequel se situe ledit élément contacteur mobile (30), un champ électromagnétique (B) uniforme.
  7. Commutateur électrique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux spires (10B, 20B ; 10B', 20B') formées par les éléments contacteurs fixes (10, 20 ; 10', 20') sont disposées coaxialement et parallèlement l'une par rapport à l'autre et sont séparées l'une de l'autre d'une distance égale à la largeur des ouvertures qu'elles délimitent intérieurement, dans une position dite de Helmholtz.
  8. Commutateur électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la direction (W) du champ électromagnétique (B) est orthogonale à la direction de l'axe (V) passant par les deux zones de contact (11, 21).
  9. Commutateur électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément contacteur mobile (30) est réalisé dans un matériau conducteur non magnétique.
  10. Commutateur électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des éléments contacteurs fixes (10, 20 ; 10', 20') et mobile (30) est réalisé en cuivre.
  11. Commutateur électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments contacteurs fixes (10, 20 ; 10', 20') sont identiques.
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