EP2297757B1 - Utilisation d'un materiau de contact electrique pour souffler un arc electrique - Google Patents

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EP2297757B1
EP2297757B1 EP09749760A EP09749760A EP2297757B1 EP 2297757 B1 EP2297757 B1 EP 2297757B1 EP 09749760 A EP09749760 A EP 09749760A EP 09749760 A EP09749760 A EP 09749760A EP 2297757 B1 EP2297757 B1 EP 2297757B1
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EP
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magnetic
entities
pads
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magnetized
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Laurent Doublet
Christine Bourda
Didier Jeannot
Pierre Ramoni
Dominique Givord
Sophie Rivoirard
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Metalor Technologies International SA
Original Assignee
Metalor Technologies International SA
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/44—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet
    • H01H9/446—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet using magnetisable elements associated with the contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0094—Switches making use of nanoelectromechanical systems [NEMS]
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
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    • H01H1/0237—Composite material having a noble metal as the basic material and containing oxides
    • H01H1/02372—Composite material having a noble metal as the basic material and containing oxides containing as major components one or more oxides of the following elements only: Cd, Sn, Zn, In, Bi, Sb or Te
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrical contacts. It relates, more particularly, to the use of an electrical contact material with arc extinguishing effect.
  • Such a type of material finds its application mainly for the realization of so-called "low voltage" contacts, that is to say whose operating range is approximately between 10 and 1000V and between 1 and 10000A.
  • These contacts are generally used in the domestic, industrial and automotive fields, both in direct current and AC, for switches, relays, contactors and circuit breakers, etc.
  • the energy released by the electric arc is sufficient to melt the material constituting the pads, which entails not only the degradation of the metal parts but also, sometimes, their welding, with the consequence of blocking the device.
  • one solution consists in using pseudoalloys comprising a silver or copper matrix and, inserted in this matrix, a fraction consisting of approximately 10 to 50% by volume of refractory particles (for example , Ni, C, W, WC, CdO, SnO 2 ) of a size generally between 1 and 5 microns.
  • refractory particles for example , Ni, C, W, WC, CdO, SnO 2
  • This method does not allow to limit the mergers and, because of their repetition, problems of erosion and welding of the studs can occur in the short or medium term.
  • An object of the present invention is therefore to overcome these disadvantages, by proposing to use an electrical contact material to make contact pads whose operation is not impaired in the short term or in the long term by the energy an electric arc.
  • the invention relates to the use of a material comprising a matrix of conductive metal and magnetic entities representing between 8 and 80% by weight of the material and comprising hard magnetic phases, said magnetic entities initially not magnetized having been made magnetized with a mean orientation, defined by the direction of a magnetic field applied to said material, for blowing an electric arc between two pads of electrical contacts, at least one of which comprises said material, and thus reduce the duration of the arc.
  • the material may further comprise a stable refractory fraction at a temperature greater than 900 ° C.
  • At least one of the phases of the magnetic entities is a hard magnetic compound based on rare earths.
  • said material is capable of generating a magnetic induction field, measured at its surface, greater than 20 mT, preferably greater than 60 mT, and more preferably greater than 100 mT.
  • At least one of said pads which comprises said material with the magnetic entities has an overlayer comprising a material selected from silver and copper.
  • the present invention also relates to a constituent material of an electrical contact pad comprising a matrix of conductive metal and magnetic entities representing between 8 and 80% by weight of the material and comprising hard magnetic phases, said magnetic entities initially not magnetized having been rendered magnetized with a mean orientation, defined by the direction of a magnetic field applied to said material, at least one of the magnetic phases being a rare earth compound, with the exception of the samarium.
  • the invention relates to a pair of pads of electrical contacts, said pads defining between them an axis, in which that at least one of said pads is made of a material as defined above and has a magnetization generating a magnetic field perpendicular to said axis.
  • a pair of electrical contact pads comprising, at the cathode, a contact pad made of a material defined above.
  • the material used according to the invention initially contains multidomain magnetic entities forming a set initially initially unmagnetized, and then to be magnetized by the application of a field.
  • the material used according to the invention does not initially contain spontaneously magnetized monodomain entities.
  • the magnetic entities represent between 10 and 50% by weight of the material, preferably between 12 and 30% by weight, and more preferably between 18 and 22% by weight of said material.
  • Magnetic entities include magnetic phases that can be obtained from one or more ferromagnetic or ferrimagnetic hard compounds.
  • they are chosen from compounds based on rare earths, among which mention may be made of the so-called RE-Fe-B type compounds (RE being the abbreviation of Rare Earth, Rare Earth).
  • RE is neodymium or praseodymium.
  • Other compounds of the RE-M type can be used, RE being preferably La, Gd, Y or Lu, of the 1/5, 1/7 or 2/17 type, and M being predominantly Co or Fe and possibly containing Cu, Zr, Al and other minority elements.
  • the compounds of the RE-Fe-N type can also be used.
  • the magnetic entities have a coercive field and a residual induction sufficient to allow their use in the targeted applications, these two parameters can be evaluated by simple experimental tests. Indeed, as will be explained below, it is necessary that the contact generates a certain magnetic field so as to destabilize a possible electric arc occurring between the pads. In particular, it must be that after having been exposed to a magnetic field, the material has a sufficient and stable long-term residual induction for long-term use.
  • This induction obtained by magnetization of the pads under an external magnetic field, can be characterized by the magnetic field generated on the surface of the pads, and persistent after removal of the applied magnetic field. As an indication, the field generated on the surface must be greater than 20 mT, preferably 60 mT, and more preferably greater than 100 mT, measured using a Hall effect probe distributed by Lakeshore.
  • the matrix comprises a refractory fraction, stable at a temperature above 900 ° C.
  • the refractory fraction may comprise one or more of the elements selected from the following group: CdO, SnO 2 , ZnO, Bi 2 O 3 , C, WC, MgO, In 2 O 3 , as well as Ni, Fe, Mo, Zr , W or their oxides.
  • the refractory fraction is added in an amount so that the percentage of magnetic entities is at least 8% and the amount of conductive metal is at least 20%.
  • the magnetic entities are dispersed in the matrix, either regularly, or according to a concentration gradient, or again in localized blocks.
  • the material may also contain dopants or minor additives, facilitating the use of the material, which may be, for example, Ni, Co, Fe, Bi, Re, Zr and their oxides.
  • the material described above is used to make pads of electrical contacts.
  • the first steps of the process of developing the material and forming the contact pads are common and are known to those skilled in the art who can choose between several techniques.
  • the method comprises an additional step of magnetizing the material on the already developed pads.
  • the material preparation step may be carried out by powder metallurgy, one of the magnetic entities being nanostructured RE-Fe-B, where RE is a rare earth element.
  • a preferred direction of the magnetic entities may be obtained by applying a suitable method during the development of the pads (pressure, magnetic field, heat treatment). This operation is not essential but it makes it possible to increase the magnetization of the studs induced by the field, applied after elaboration of the pads.
  • the use, as a starting material for constituting the magnetic entities of the contact, of a ribbon The nanostructured RE-Fe-B obtained by a rapid solidification technique, particularly by the technique known as melt spinning gives excellent results. It is not necessary to further describe this technique known to those skilled in the art. In summary, it consists in flowing, through a nozzle, molten metal contained in a reservoir, and in bringing a net of liquid metal in contact with a cylinder, for example copper, rotating great speed. Thanks to this technique, the RE-Fe-B cools by taking a microstructure, which allows it to present remarkable hard magnetic characteristics for the intended use.
  • the RE-Fe-B can be combined with other magnetic materials to optimize the magnetic properties of the assembly, the RE-Fe-B advantageously representing at least 50% by weight of the magnetic entities.
  • Contact pads are then shaped by cutting strips, stamping son, unit compression. They are then arranged on a suitable support, by any traditional method of assembling electrical contacts, in particular: resistance welding, resistance brazing, induction brazing, flame or oven brazing, crimping, incrustation ... view of their use as electrical contacts.
  • the material used according to the invention can be formed into a washer or a layer, forming a magnetic system, made integral with a traditional electrical contact pad by incrustation, welding, brazing or riveting, or by layer deposition (s).
  • the magnetic material, the contact material or both may be in the form of one or more layers.
  • the magnetic system can also serve as a mechanical support and supply current to the electrical contact. It is advantageously possible to adapt the magnetic system according to the variant in existing installations, while retaining the initial contact material, since it occupies only a small space in addition to the contact, unlike the electromagnetic members of the prior art.
  • the magnetic entities are not magnetized.
  • the pads must then undergo the magnetization step by applying a magnetizing magnetic field to provide the magnetic non-magnetized entities global magnetization in a mean orientation defined by the applied field.
  • the studs can then fully play their role of blower or arc extinguisher. This operation can take place in the factory, after development of the stud. It can also take place at the user, before or after the final assembly of the contact. It is carried out by exposing the pads to a magnetic field of intensity between 0.5 and 30 T, preferably between 1 and 30 T, and still more preferably between 1 and 10 T.
  • the material used in the form of pads comprises magnetic entities initially not magnetized which are either capable of being made magnetized by the application of a magnetic field to the user, or already made magnetized by the application of a magnetic field in factory.
  • the field may in particular be applied in parallel or preferably perpendicular to the longitudinal axis of a stud, so that the latter has field lines as illustrated, respectively, on the Figures 1a and 1b .
  • the conditions of the magnetization step are adapted to the magnetic material so that, after having undergone the magnetization step, the studs are source of a magnetic induction field, which, measured at their surface, is greater than 20 mT, preferably 60 mT, and more preferably greater than 100 mT.
  • the pads thus obtained are then implemented in electrical contacts formed of two pads defining between them a first axis.
  • the contact may comprise a single pad obtained according to the above method, arranged in the case of a DC circuit, the anode or the cathode. It is also possible that the two studs forming the contact are made of a magnetic material used according to the invention. Various magnetic field orientations are possible and conceivable, for example, when a single magnetic pad is used, the field it generates can be oriented parallel or perpendicular to the first axis.
  • the stud may comprise an overlay deposited on the magnetic material.
  • Such an overcoat comprises a conductive material chosen from silver and copper and optionally a refractory compound chosen from the group comprising compounds CdO, SnO 2 , ZnO, Bi 2 O 3 , C, WC, MgO, In 2 O 3 , as well as Ni, Fe, Mo, Zr, W or their oxides.
  • the overlay advantageously makes it possible to isolate the magnetic entities from the stud of the contact surface and thus to reduce the risks of soldering on closing. Indeed, the blowing effect can be attenuated by the ionization of the constituent elements of the magnetic compound, the latter can increase the contact resistance and promote welding. In any case, the extreme surface of the contact is strongly heated under the effect of the arc so that the magnetic properties of the surface entities are generally destroyed in operation.
  • the overlayer must be thin enough so that the field created by the underlying magnetic entities in the arc area remains sufficiently intense, and possibly thick enough not to be completely melted under the effect of the arc. However, it turns out that the reduction in the duration of the arc obtained according to the invention leads to very low erosion.
  • the overlay may have a thickness of between 0.05 mm and 3 mm, preferably between 0.1 mm and 2 mm, and more preferably between 0.2 mm and 1 mm.
  • the powder thus obtained is mixed with powdered silver, the particles of which have a mean diameter of between 15 and 50 ⁇ m.
  • the mixture is produced in a mass proportion of 80% of silver and 20% of EM magnetic entity powder.
  • a magnetic material is obtained constituting an electrical contact pad.
  • An electrical contact pad is then shaped by unitary compression and compacted under a pressure of 700 MPa.
  • the pad is then sintered under vacuum at 400 ° C for about 30 minutes.
  • the pad is then assembled on a support according to one of the techniques mentioned above, for use in an electrical contact.
  • the pad is magnetized by exposing it to a magnetic field of 8 T.
  • the pad is oriented perpendicular to the magnetic field, as illustrated on the figure 1a so that it has a magnetization perpendicular to its longitudinal axis.
  • the pad is a source of a remanent induction field of about 60 mT at the surface.
  • the pad obtained above is then used in a contact of a resistive-type electrical circuit, operating under a 42 V DC voltage, with an intensity of 37.5 A.
  • a magnet pad is disposed at the cathode, the other being silver.
  • the opening arc duration is measured. Closure tests are also performed to simulate the risks of welding, under the same conditions as for opening, but with a current of 90 A. measures the percentage of welding obtained, whose breaking force is greater than 0.1 N.
  • Example 1 is reproduced by replacing 6% by weight of silver of the matrix with 6% by weight of a refractory compound (SnO 2 ).
  • An overlayer 0.6 mm thick is applied to the magnetic material of the pad obtained in Example 1.
  • Said overlayer comprises 100% silver.
  • Example 1 is reproduced by not subjecting the pad to a magnetization (Example 4) or by using other materials to make the pads of the contact (Examples 5 and 6).
  • Example 4 shows the importance of the magnetization step of the stud since a contact comprising a non-magnetized stud has an arc duration at the opening of 9 ms while the contact comprising the magnetic pin has a arc duration at opening of 3 ms.

Landscapes

  • Contacts (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Manufacture Of Switches (AREA)
  • Hard Magnetic Materials (AREA)

Description

    Domaine technique
  • La présente invention se rapporte au domaine des contacts électriques. Elle concerne, plus particulièrement, l'utilisation d'un matériau de contact électrique avec effet d'extinction d'arc.
    • Etat de la technique
  • Un tel type de matériau trouve son application principalement pour la réalisation de contacts dits "basse tension", c'est-à-dire dont la plage de fonctionnement se situe approximativement entre 10 et 1000V et entre 1 et 10000A. Ces contacts sont utilisés généralement dans les domaines domestique, industriel et automobile, aussi bien en courant continu qu'en courant alternatif, pour des interrupteurs, des relais, des contacteurs et des disjoncteurs, etc.
  • Lorsqu'on ouvre une paire de plots de contacts électriques sous tension, le courant continue de passer d'un plot à l'autre en ionisant le gaz qu'il traverse. Cette colonne de gaz ionisé, communément appelée "arc électrique", a une longueur maximum qui dépend de différents paramètres tels que la nature et la pression du gaz, la tension aux bornes, le matériau de contact, la géométrie de l'appareil, l'impédance du circuit, etc.
  • L'énergie dégagée par l'arc électrique est suffisante pour fondre le matériau constituant les plots, ce qui entraîne, non seulement, la dégradation des parties métalliques mais, aussi, parfois, leur soudure, avec pour conséquence le blocage de l'appareil.
  • Dans les applications en courant alternatif, le passage de la tension par zéro facilite la coupure de l'arc. Néanmoins, certains appareils de protection doivent couper des courants très élevés, qui occasionnent des arcs suffisamment énergétiques pour endommager les contacts.
  • En revanche, pour les applications en courant continu, les arcs électriques sont très stables, surtout lorsque la tension est nettement supérieure à 10V. Une solution pour couper l'arc consiste à augmenter sa longueur de façon telle qu'il devienne instable et disparaisse de lui-même. Pour une tension de 14V, une distance de l'ordre du millimètre est suffisante alors que pour une tension de 42V, particulièrement lorsqu'on est en présence d'une charge inductive, cette distance peut être de plusieurs centimètres. Ceci complique sérieusement la construction des appareils de coupure et la durée des arcs créés réduit fortement leur durée de vie.
  • Le problème se pose tout particulièrement dans l'industrie de l'automobile qui envisage l'utilisation de circuits à 42V continus voire plus pour s'adapter au nombre toujours plus élevé de dispositifs électriques présents dans les voitures (jusqu'à cent moteurs dans un véhicule haut-de-gamme). A de telles tensions, l'intérêt de limiter les problèmes liés aux arcs devient primordial.
  • Ainsi, les matériaux des contacts électriques doivent satisfaire les trois exigences suivantes:
    • une résistance de contact faible et stable pour éviter un échauffement excessif lors du passage du courant ;
    • bonne résistance au soudage en présence d'un arc électrique ; et
    • faible érosion sous l'effet de l'arc.
  • Pour satisfaire ces exigences partiellement contradictoires, une solution consiste à utiliser des pseudo-alliages comportant une matrice d'argent ou de cuivre et, insérée dans cette matrice, une fraction constituée d'environ 10 à 50% en volume de particules réfractaires (par exemple, Ni, C, W, WC, CdO, SnO2) d'une taille généralement comprise entre 1 et 5 µm. Le matériau ainsi obtenu résiste mieux à l'énergie dégagée par l'arc électrique. Bien que constituant une solution intéressante, cette méthode ne permet pas de limiter les fusions et, à cause de leur répétition, des problèmes d'érosion et de soudage des plots peuvent survenir à court ou moyen terme.
  • Une autre solution, décrite dans le brevet américain US 3,626,124 consiste à utiliser un matériau comprenant des particules magnétiques monodomaines. De telles particules sont spontanément aimantées selon une orientation aléatoire en l'absence de champ extérieur appliqué. Ces particules sont donc initialement aimantées et n'ont pas besoin de source extérieure de magnétisation. Le champ généré par chaque particule aimantée agit sur l'arc de coupure, facilitant son soufflage. Les particules décrites restent monodomaines même à la suite d'un échauffement au-delà de leur température de Curie de sorte que l'efficacité de soufflage n'est pas affectée par l'échauffement dû à l'arc de coupure, lors d'ouvertures antérieures des contacts. Toutefois, chaque particule agit individuellement sur l'arc de coupure de sorte que l'effet de soufflage magnétique est très faible. Cette solution n'est donc pas satisfaisante.
  • Par ailleurs, lorsqu'il s'agit, en courant alternatif, de réaliser des appareils de protection (disjoncteurs) capables de couper des courants très élevés, on a proposé de recourir à des moyens auxiliaires pour faciliter l'extinction de l'arc ou éviter son rallumage: soufflage électromagnétique ou pneumatique.
  • Par exemple, une telle solution d'extinction électromagnétique par des dispositifs extérieurs au contact lui-même est décrite dans le document EP 1 482 525 . Ce dernier divulgue un dispositif magnétique placé à distance du contact et qui génère un champ magnétique allongeant un arc électrique qui se produirait entre les plots, dans le but de l'éteindre. Toutefois, le surcoût, l'encombrement et le surpoids entraînés par cette solution la rendent problématique, particulièrement pour les applications aux automobiles.
  • On a entre autre proposé de remplacer le gaz présent dans l'espace séparant les deux contacts par un gaz très stable et donc difficile à ioniser, comme du SF6. Cependant, cette solution est complexe à mettre en oeuvre.
  • Un but de la présente invention est donc de pallier ces inconvénients, en proposant d'utiliser un matériau de contact électrique pour réaliser des plots de contact dont le fonctionnement n'est altéré ni à court terme, ni à long terme, par l'énergie d'un arc électrique.
    • Divulgation de l'invention
  • L'invention concerne l'utilisation d'un matériau comportant une matrice en métal conducteur et des entités magnétiques représentant entre 8 et 80% en poids du matériau et comprenant des phases magnétiques dures, lesdites entités magnétiques initialement non aimantées ayant été rendues aimantées avec une orientation moyenne, définie par la direction d'un champ magnétique appliqué sur ledit matériau, pour souffler un arc électrique entre deux plots de contacts électriques dont l'un au moins comprend ledit matériau, et ainsi réduire la durée de l'arc.
  • En variante, le matériau peut comporter, en outre, une fraction réfractaire stable à une température supérieure à 900°C.
  • D'une manière avantageuse, l'une au moins des phases des entités magnétiques est un composé magnétique dur à base de terres rares.
  • Pour permettre une utilisation selon l'invention, ledit matériau est capable de générer un champ d'induction magnétique, mesuré à sa surface, supérieur à 20 mT, de préférence supérieur à 60 mT, et plus préférentiellement supérieur à 100 mT.
  • Des effets particulièrement remarquables sur l'extinction d'un arc électrique ont été observés pour une utilisation selon l'invention, selon laquelle lesdits plots définissent entre eux un axe, au moins l'un desdits plots étant réalisé dans ledit matériau et présentant une aimantation engendrant un champ magnétique perpendiculaire audit axe.
  • D'une manière avantageuse, au moins l'un desdits plots qui comprend ledit matériau avec les entités magnétiques, présente une surcouche comprenant un matériau choisi parmi l'argent et le cuivre.
  • La présente invention concerne également un matériau constitutif d'un plot de contact électrique comportant une matrice en métal conducteur et des entités magnétiques représentant entre 8 et 80% en poids du matériau et comprenant des phases magnétiques dures, lesdites entités magnétiques initialement non aimantées ayant été rendues aimantées avec une orientation moyenne, définie par la direction d'un champ magnétique appliqué sur ledit matériau, l'une au moins des phases magnétiques étant un composé à base de terres rares, à l'exception du samarium.
  • Selon un autre aspect, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un plot de contact électrique comprenant les étapes suivantes:
    • élaboration d'un matériau à partir d'argent ou de cuivre pour former la matrice dudit matériau et d'entités magnétiques comprenant des phases magnétiques dures, lesdites entités magnétiques étant non aimantées, l'une au moins des phases magnétiques étant un composé à base de terres rares,
    • mise en forme du plot,
    • assemblage sur un support, et
    • aimantation du plot.
  • Selon un autre aspect, l'invention concerne une paire de plots de contacts électriques, lesdits plots définissant entre eux un axe, dans laquelle que au moins l'un desdits plots est réalisé dans un matériau tel que défini ci-dessus et présente une aimantation engendrant un champ magnétique perpendiculaire audit axe.
  • Dans le cas de courant continu, de très bons résultats ont aussi été observés pour une paire de plots de contacts électriques comprenant, à la cathode, un plot de contact réalisé dans un matériau défini ci-dessus.
    • Brève description des dessins
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite en référence à la figure annexée, illustrant différentes orientations du champ magnétique présenté par les plots d'un contact électrique.
    • Mode(s) de réalisation de l'invention
  • Le matériau de contact utilisé dans la présente invention est essentiellement constitué de:
    • une matrice en métal conducteur, généralement en argent ou en cuivre ; et
    • des entités magnétiques représentant entre 8 et 80% en poids du matériau et comprenant des phases magnétiques dures, lesdites entités magnétiques étant initialement non aimantées et susceptibles d'être aimantées, avec une orientation moyenne, définie par la direction d'un champ magnétique appliqué sur ledit matériau.
  • De ce fait, le matériau utilisé selon l'invention contient initialement des entités magnétiques multidomaines formant un ensemble initialement globalement non aimanté, et devant être ensuite aimanté par l'application d'un champ. De préférence, le matériau utilisé selon l'invention ne contient pas initialement d'entités spontanément aimantées monodomaines.
  • De préférence, les entités magnétiques représentent entre 10 et 50% en poids du matériau, de préférence entre 12 et 30% en poids, et plus préférentiellement entre 18 et 22% en poids dudit matériau.
  • Les entités magnétiques comprennent des phases magnétiques qui peuvent être obtenues à partir d'un ou plusieurs composés ferromagnétiques ou ferrimagnétiques durs. Avantageusement, elles sont choisies parmi les composés à base de terres rares parmi lesquels on peut citer les composés dits de type RE-Fe-B, (RE étant l'abréviation anglaise de Rare Earth, Terre Rare). De préférence, RE est le néodyme ou le praséodyme. D'autres composés du type RE-M, peuvent être utilisés, RE étant de préférence La, Gd, Y ou Lu, de type 1/5, 1/7 ou 2/17, et M étant majoritairement Co ou Fe et pouvant contenir Cu, Zr, Al et d'autres éléments minoritaires. Les composés du type RE-Fe-N peuvent aussi être utilisés.
  • D'autres composés tels que des ceux de la famille Pt(Fe,Co) peuvent aussi convenir, ou les composés du type ferrite de baryum ou de strontium.
  • D'autres matériaux peuvent encore être envisagés, l'essentiel étant que les entités magnétiques présentent un champ coercitif et une induction rémanente suffisants pour permettre leur utilisation dans les applications visées, ces deux paramètres pouvant être évalués par des essais expérimentaux simples. En effet, comme il sera expliqué ci-après, il est nécessaire que le contact génère un certain champ magnétique de manière à déstabiliser un éventuel arc électrique se produisant entre les plots. Il faut notamment que, après avoir lui-même été exposé à un champ magnétique, le matériau présente une induction rémanente suffisante et stable dans le temps, pour une utilisation à long terme. Cette induction, obtenue par aimantation des plots sous un champ magnétique extérieur, peut être caractérisée par le champ magnétique généré à la surface des plots, et persistant après suppression du champ magnétique appliqué. A titre indicatif, le champ généré à la surface doit être supérieur à 20 mT, de préférence à 60 mT, et plus préférentiellement supérieur à 100 mT, mesuré à l'aide d'une sonde à effet Hall distribuée par la société Lakeshore.
  • De manière facultative, la matrice comporte une fraction réfractaire, stable à une température supérieure à 900°C. La fraction réfractaire peut comporter l'un ou plusieurs des éléments choisis dans le groupe suivant: CdO, SnO2, ZnO, Bi2O3, C, WC, MgO, In2O3, ainsi que Ni, Fe, Mo, Zr, W ou leurs oxydes.
  • La fraction réfractaire est ajoutée en quantité de manière à ce que le pourcentage des entités magnétiques soit d'au moins 8% et que la quantité de métal conducteur soit d'au moins 20%.
  • De manière avantageuse, les entités magnétiques sont dispersées dans la matrice, soit de façon régulière, soit selon un gradient de concentration, soit, encore, en blocs localisés.
  • En complément, le matériau peut aussi contenir des dopants ou des additifs mineurs, facilitant la mise en oeuvre du matériau, qui peuvent être par exemple, Ni, Co, Fe, Bi, Re, Zr et leurs oxydes.
  • Le matériau décrit ci-dessus est utilisé pour réaliser des plots de contacts électriques. Les premières étapes du procédé d'élaboration du matériau et de mise en forme des plots de contacts sont courantes et sont connues de l'homme du métier qui pourra choisir entre plusieurs techniques. En outre, le procédé comporte une étape supplémentaire d'aimantation du matériau sur les plots déjà élaborés.
  • En particulier, et sans qu'il soit besoin de le détailler davantage pour l'homme du métier qui pourra, moyennant quelques essais de pratique courante, mettre en oeuvre les techniques ci-après, l'élaboration du matériau utilisé selon l'invention pourra être réalisée par:
    • métallurgie des poudres,
    • voie chimique de précipitation de sels en solution,
    • atomisation,
    • dépôt de couche mince ou épaisse, ou
    • extrusion à partir d'une billette ou d'un mélange de poudres.
  • Avantageusement, l'étape d'élaboration du matériau peut être réalisée par métallurgie des poudres, l'une des entités magnétiques étant du RE-Fe-B nanostructuré, où RE est un élément des terres rares.
  • Une direction privilégiée des entités magnétiques pourra être obtenue par application d'un procédé approprié lors de l'élaboration des plots (pression, champ magnétique, traitement thermique). Cette opération n'est pas indispensable mais elle permet d'augmenter l'aimantation des plots induite par le champ, appliqué après élaboration des plots.
  • Il est à noter que, de manière non limitative, l'utilisation, comme matériau de départ pour constituer les entités magnétiques du contact, d'un ruban nanostructuré de RE-Fe-B obtenu par une technique de solidification rapide, particulièrement par la technique connue sous le nom de melt spinning donne d'excellents résultats. Il n'est pas nécessaire de décrire davantage cette technique connue de l'homme du métier. On retiendra, en résumé, qu'elle consiste à faire couler, à travers une buse, du métal en fusion contenu dans un réservoir, et à amener un filet de métal liquide au contact d'un cylindre, en cuivre par exemple, tournant à grande vitesse. Grâce à cette technique, le RE-Fe-B refroidit en prenant une microstructure, qui lui permet de présenter des caractéristiques magnétiques dures remarquables en vue de l'utilisation visée.
  • Le RE-Fe-B peut être associé à d'autres matériaux magnétiques pour optimiser les propriétés magnétiques de l'ensemble, le RE-Fe-B représentant avantageusement, au moins 50% en poids des entités magnétiques.
  • Des plots de contact sont ensuite mis en forme par découpe de bandes, estampage de fils, compression unitaire. Ils sont ensuite disposés sur un support adapté, par toute méthode traditionnelle d'assemblage de contacts électriques, en particulier : soudage par résistance, brasage par résistance, brasage par induction, brasage à la flamme ou au four, sertissage, incrustation... en vue de leur utilisation comme contacts électriques.
  • En variante, le matériau utilisé selon l'invention peut être mis sous forme d'une rondelle ou d'une couche, formant un système magnétique, rendue solidaire d'un plot de contact électrique traditionnel par incrustation, soudage, brasage ou rivetage, voire par dépôt de couche(s). Dans ce dernier cas, le matériau magnétique, le matériau de contact ou les deux peuvent se présenter sous forme d'une ou de plusieurs couches. Le système magnétique peut également servir de support mécanique et d'amenée de courant au contact électrique. Il est avantageusement possible d'adapter le système magnétique selon la variante dans des installations existantes, en conservant le matériau de contact initial, car il n'occupe qu'une faible place en plus du contact, à la différence des organes électromagnétiques de l'art antérieur.
  • Dans les plots mis en forme, les entités magnétiques ne sont pas aimantées. Les plots doivent ensuite subir l'étape d'aimantation par l'application d'un champ magnétique aimanteur pour procurer aux entités magnétiques non aimantées une aimantation globale selon une orientation moyenne définie par le champ appliqué. Les plots peuvent alors jouer pleinement leur rôle de souffleur ou d'extincteur d'arc. Cette opération peut avoir lieu en usine, après élaboration du plot. Elle peut aussi avoir lieu chez l'utilisateur, avant ou après le montage final du contact. Elle est réalisée en exposant les plots à un champ magnétique d'une intensité comprise entre 0,5 et 30 T, de préférence entre 1 et 30 T, et plus préférentiellement encore entre 1 et 10 T. Ainsi, conformément à l'invention, le matériau utilisé sous forme de plots comprend des entités magnétiques initialement non aimantées qui sont soit susceptibles d'être rendues aimantées par l'application d'un champ magnétique chez l'utilisateur, soit déjà rendues aimantées par l'application d'un champ magnétique en usine.
  • Par cette application d'un champ magnétique de direction et d'intensité appropriées, sur les plots déjà élaborés, une aimantation globale des plots est créée, dont l'orientation est définie par le champ appliqué. Il en résulte qu'un champ magnétique est généré dans l'environnement du plot. Ce champ agit sur l'arc de coupure et contribue à son soufflage.
  • Le champ peut notamment être appliqué parallèlement ou de préférence perpendiculairement à l'axe longitudinal d'un plot, de manière à ce que ce dernier présente des lignes de champs telles qu'illustrées, respectivement, sur les figures 1a et 1b. Les conditions de l'étape d'aimantation (durée et intensité du champ) sont adaptées au matériau magnétique de manière à ce que, après avoir subi l'étape d'aimantation, les plots soient source d'un champ d'induction magnétique, qui, mesuré à leur surface, est supérieur à 20 mT, de préférence à 60 mT, et plus préférentiellement supérieure à 100 mT.
  • Les plots ainsi obtenus sont ensuite mis en oeuvre dans des contacts électriques formés de deux plots définissant entre eux un premier axe. Le contact peut ne comporter qu'un seul plot obtenu selon le procédé ci-dessus, disposé dans le cas d'un circuit en courant continu, à l'anode ou à la cathode. Il est également possible que les deux plots formant le contact soient réalisés dans un matériau magnétique utilisé selon l'invention. Diverses orientations de champ magnétiques sont possibles et envisageables, par exemple, lorsqu'un seul plot aimanté est utilisé, le champ qu'il génère peut être orienté parallèlement ou perpendiculairement au premier axe.
  • En variante, le plot peut comprendre une surcouche déposée sur le matériau magnétique. Une telle surcouche comprend un matériau conducteur choisi parmi l'argent et le cuivre et éventuellement un composé réfractaire choisi dans le groupe comprenant les composés CdO, SnO2, ZnO, Bi2O3, C, WC, MgO, In2O3, ainsi que Ni, Fe, Mo, Zr, W ou leurs oxydes.
  • Cette surcouche permet avantageusement d'isoler les entités magnétiques du plot de la surface de contact et ainsi de diminuer les risques de soudure à la fermeture. En effet, l'effet de soufflage peut être atténué par l'ionisation des éléments constitutifs du composé magnétique, ce dernier pouvant augmenter la résistance de contact et favoriser la soudure. De toute manière, l'extrême surface du contact est fortement chauffée sous l'effet de l'arc si bien que les propriétés magnétiques des entités superficielles sont généralement détruites en fonctionnement. La surcouche doit être suffisamment mince pour que le champ crée par les entités magnétiques sous-jacentes dans la zone de l'arc reste suffisamment intense, et éventuellement suffisamment épaisse pour ne pas être complètement fondue sous l'effet de l'arc. Toutefois, il s'avère que la réduction de la durée de l'arc obtenue selon l'invention conduit à une érosion très faible. Ainsi, la surcouche peut présenter une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 3 mm, de préférence comprise entre 0,1 mm et 2 mm, et plus préférentiellement comprise entre 0,2 mm et 1 mm.
  • Les exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée.
  • Exemple 1
  • L'élaboration du matériau se fait par métallurgie des poudres. Ainsi, un ruban de Nd-Fe-B produit par la technique connue sous le nom de "melt spinning" est réduit en poudre, sous argon, par broyage à boulet, jusqu'à obtention d'une granulométrie comprise entre 1 et 50 µm. La durée de cette opération est d'environ 5h.
  • La poudre ainsi obtenue est mélangée à de l'argent en poudre, dont les particules présentent un diamètre moyen compris entre 15 et 50 µm. Le mélange est réalisé dans une proportion massique de 80% d'argent et 20% de poudre d'entités magnétiques EM. On obtient un matériau magnétique, constitutif d'un plot de contact électrique.
  • Un plot de contact électrique est ensuite mis en forme par compression unitaire et compacté sous une pression de 700MPa.
  • Puis le plot est fritté sous vide à 400°C pendant environ 30 minutes.
  • Le plot est ensuite assemblé sur un support selon l'une des techniques mentionnées ci-dessus, pour être utilisé dans un contact électrique.
  • Enfin, le plot est aimanté en l'exposant à un champ magnétique de 8 T. Le plot est orienté perpendiculairement au champ magnétique, tel qu'illustré sur la figure 1a de manière à ce qu'il présente une aimantation perpendiculaire à son axe longitudinal. Avec les conditions d'aimantation ci-dessus, le plot est source d'un champ d'induction rémanente d'environ 60 mT en surface.
  • Le plot obtenu ci-dessus est ensuite utilisé dans un contact d'un circuit électrique de type résistif, fonctionnant sous une tension continue de 42 V, avec une intensité de 37,5 A. A titre d'exemple, seul un plot aimanté est disposé à la cathode, l'autre étant en argent.
  • Avec cette configuration (aimantation perpendiculaire, un seul plot aimanté à la cathode), on mesure la durée d'arc d'ouverture. Des essais de fermeture sont également réalisés pour simuler les risques de soudage, dans les mêmes conditions que pour l'ouverture, mais avec un courant de 90 A. On mesure le pourcentage de soudage obtenu, dont la force de rupture est supérieure à 0,1 N.
  • Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous.
  • Exemple 2
  • L'exemple 1 est reproduit en remplaçant 6% en poids d'argent de la matrice par 6% en poids d'un composé réfractaire (SnO2).
  • Les mêmes tests que pour l'exemple 1 sont réalisés. Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous.
  • Exemple 3
  • Une surcouche de 0,6 mm d'épaisseur est appliquée sur le matériau magnétique du plot obtenu dans l'exemple 1. Ladite surcouche comprend 100% d'argent.
  • Les mêmes tests que pour l'exemple 1 sont réalisés. Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous.
  • Exemples 4-6
  • A titre comparatif, l'exemple 1 est reproduit en ne soumettant pas le plot à une aimantation (exemple 4) ou en utilisant d'autres matériaux pour réaliser les plots du contact (exemples 5 et 6).
  • Les mêmes tests que pour l'exemple 1 sont réalisés. La composition de ces matériaux ainsi que les résultats obtenus avec les plots élaborés sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous: Tableau I
    Exemple Composition des contacts Durée d'arc à l'ouverture (ms) % de soudure à la fermeture
    1 (inv.) Ag(80)EM(20) - Ag 3 60
    2 (inv.) Ag(74)SnO2(6)EM(20) - Ag 3 9
    3 (inv.) Ag(80)EM(20)+surcouche - Ag 3 1
    4 (comp.) Ag(80)EM(20) (non aimanté) - Ag 9 60
    5 (comp.) Ag-Ag 9 7
    6 (comp.) AgSnO210/AgSnO210 24 3
  • Les résultats du Tableau 1 montrent que l'utilisation selon l'invention du matériau magnétique décrit ci-dessus pour réaliser des plots de contacts électriques permet de réduire la durée d'arc à l'ouverture de 9 ms, voire 24 ms à 3 ms. L'exemple 4 montre également l'importance de l'étape d'aimantation du plot puisqu'un contact comprenant un plot non aimanté présente une durée d'arc à l'ouverture de 9 ms alors que le contact comprenant le plot aimanté présente une durée d'arc à l'ouverture de 3 ms.
  • De plus, l'ajout d'un composé réfractaire (exemple 2) ou l'utilisation d'une surcouche (exemple 3) permet de réduire fortement la tendance au soudage des plots constitué du matériau magnétique défini ci-dessus sans affecter significativement la durée d'arc à l'ouverture. L'utilisation d'une surcouche permet d'obtenir des résultats particulièrement intéressants.

Claims (19)

  1. Utilisation d'un matériau comportant une matrice en métal conducteur et des entités magnétiques représentant entre 8 et 80% en poids du matériau et comprenant des phases magnétiques dures, pour souffler un arc électrique entre deux plots de contacts électriques dont l'un au moins comprend ledit matériau, caractérisé en ce que lesdites entités magnétiques sont initialement non aimantées et elles ont été rendues aimantées avec une orientation moyenne, définie par la direction d'un champ magnétique appliqué sur ledit matériau
  2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les entités magnétiques représentent entre 10 et 50% en poids dudit matériau, de préférence entre 12 et 30% en poids, et plus préférentiellement entre 18 et 22% en poids dudit matériau.
  3. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit matériau comporte, en outre, une fraction réfractaire stable à une température supérieure à 900°C.
  4. Utilisation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite fraction réfractaire comporte l'un ou plusieurs des éléments choisis dans le groupe suivant: CdO, Sn02, ZnO, Bi2O3, C, WC, MgO, In2O3, ainsi que Ni, Fe, Mo, Zr, W ou leurs oxydes.
  5. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'une au moins des phases des entités magnétiques est un composé magnétique dur à base de terres rares.
  6. Utilisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les entités magnétiques sont des alliages RE-Fe-B nanostructuré, où RE est un élément des terres rares.
  7. Utilisation selon la revendication 6, caractérisée en ce que RE est le néodyme ou le praséodyme.
  8. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau est capable de générer un champ d'induction magnétique, mesuré à sa surface, supérieur à 20 mT, de préférence supérieur à 60 mT, et plus préférentiellement supérieur à 100 mT.
  9. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits plots définissent entre eux un axe, au moins l'un desdits plots étant réalisé dans ledit matériau et présentant une aimantation engendrant un champ magnétique perpendiculaire audit axe.
  10. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que au moins l'un desdits plots comprenant les entités magnétiques présente une surcouche comprenant un matériau choisi parmi l'argent et le cuivre.
  11. Utilisation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite surcouche comprend en outre un composé réfractaire choisi dans le groupe comprenant les composés CdO, Sn02, ZnO, Bi2O3, C, WC, MgO, In2O3, ainsi que Ni, Fe, Mo, Zr, W ou leurs oxydes.
  12. Utilisation selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que ladite surcouche présente une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 3 mm, de préférence comprise entre 0,1 mm et 2 mm, et plus préférentiellement comprise entre 0,2 mm et 1 mm.
  13. Matériau d'un plot de contact électrique comportant une matrice en métal conducteur et des entités magnétiques représentant entre 8 et 80% en poids du matériau et comprenant des phases magnétique dures, caractérisé en ce que lesdites entités magnétiques sont initialement non aimantées et elles ont été rendues aimantées avec une orientation moyenne, définie par la direction d'un champ magnétique appliqué sur ledit matériau, l'une au moins des phases magnétiques étant un composé à base de terres rares, à l'exception du samarium.
  14. Procédé de fabrication d'un plot de contact électrique comprenant les étapes suivantes:
    - élaboration d'un matériau à partir d'argent ou de cuivre pour former la matrice dudit matériau et d'entités magnétiques comprenant des phases magnétiques dures, lesdites entités magnétiques étant non aimantées, l'une au moins des phases magnétiques étant un composé à base de terres rares,
    - mise en forme du plot,
    - assemblage sur un support, et
    - aimantation du plot.
  15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, dans lequel l'étape d'élaboration du matériau est réalisée par métallurgie des poudres, l'une des entités magnétiques étant du RE-Fe-B nanostructuré, où RE est un élément des terres rares.
  16. Procédé selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que l'étape d'aimantation est réalisée de manière à ce que ledit plot génère un champ d'induction magnétique mesuré à sa surface, supérieur à 20 mT, de préférence supérieur à 60 mT, et plus préférentiellement supérieur à 100 mT.
  17. Paire de plots de contacts électriques, lesdits plots définissant entre eux un axe, caractérisée en ce que au moins l'un desdits plots est réalisé dans un matériau selon la revendication 13 et présente une aimantation engendrant un champ magnétique perpendiculaire audit axe.
  18. Paire de plots de contacts électriques comprenant, à la cathode, un plot de contact réalisé dans un matériau selon la revendication 13.
  19. Plot de contact électrique réalisé dans un matériau selon la revendication 13, présentant une surcouche comprenant un matériau choisi parmi l'argent et le cuivre et éventuellement un composé réfractaire choisi dans le groupe comprenant les composés CdO, Sn02, ZnO, Bi2O3, C, WC, MgO, In2O3, ainsi que Ni, Fe, Mo, Zr, W ou leurs oxydes.
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