EP2973635B1 - Actionneur magnetothermique - Google Patents

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EP2973635B1
EP2973635B1 EP14715345.6A EP14715345A EP2973635B1 EP 2973635 B1 EP2973635 B1 EP 2973635B1 EP 14715345 A EP14715345 A EP 14715345A EP 2973635 B1 EP2973635 B1 EP 2973635B1
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EP
European Patent Office
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actuator
thermal
thermal actuator
magneto
striker
Prior art date
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Application number
EP14715345.6A
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German (de)
English (en)
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EP2973635A1 (fr
Inventor
Guillaume LACOMBE
Dominique Werner
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Hager Electro SAS
Original Assignee
Hager Electro SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Hager Electro SAS filed Critical Hager Electro SAS
Publication of EP2973635A1 publication Critical patent/EP2973635A1/fr
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Publication of EP2973635B1 publication Critical patent/EP2973635B1/fr
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/14—Electrothermal mechanisms
    • H01H71/16—Electrothermal mechanisms with bimetal element
    • H01H71/161—Electrothermal mechanisms with bimetal element with helically or spirally wound bimetal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/40—Combined electrothermal and electromagnetic mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to a magnetothermic actuator in general, more particularly intended for an electrical appliance, in particular of the circuit-breaker type, and designed to provide protection by opening at least one electric line in the event of a fault resulting in a rapid rise of the current , for example following a short circuit, or slow in case of overload in the circuit.
  • the invention also relates to electrical apparatus which is provided with such a magnetothermal actuator.
  • the magnetic tripping is generally ensured by a coil connected in series in the circuit, and which cooperates with a magnetic circuit with fixed yoke and moving part channeling the magnetic field produced by the coil, the movable member playing the role, directly or via a firing pin, trigger element of the mechanical lock.
  • This component consists of a spring composed of a shape memory alloy.
  • a shape memory alloy can undergo an apparently plastic deformation of a few percent in a certain temperature range and fully recover its initial / original shape by reheating: this is the shape memory effect.
  • This shape memory spring can relax to return to its original shape when its internal temperature exceeds a threshold due to the heat generated by the coil, and is able to deform again under the action of a compression force when its internal temperature falls below this threshold.
  • the coil which is traversed by the electric current, therefore sees its internal temperature rise and emit heat around it during a slow current overload. It thus indirectly heats the deformable component. It plays an essential role for both the magnetic tripping and the thermal tripping of the actuator.
  • the disadvantage associated with this type of configuration lies in the large thermal inertia of the coil. Indeed, the latter takes time to heat, and the deformable component thus takes time to regain its original shape, resulting in a late release of the thermal actuator compared to the desired tripping performance according to the thermal protection curve.
  • the coil because of the proximity of the components of the magnetic actuator and the thermal actuator, the coil not only heats the deformable component, but also the subassembly magnetic present in its vicinity. The volume of heating is much too important, and the yield of the operation therefore low.
  • the coil takes a long time to cool, and the deformable component thus takes time to cool down and return to its compressed position, thus preventing a resetting of the product in due time.
  • the dimensioning of the coil must be carried out accordingly, that is to say that the number of turns that constitutes it must be increased compared to an actuator traditionally devolved to the simple magnetic function, the section of turns being imposed, so invariable.
  • the thus dimensioned coil is on the one hand relatively bulky, in an apparatus that is desired compact, and on the other hand generates an increased need for material constituting the coil compared to a traditional product.
  • Such a magnetothermal actuator is also known from the document DE 197 50 875 C1 .
  • the magnetothermic actuator of the invention proposes a solution in which the thermal function, although based on the same principle based on a deformable component of heat-sensitive material, makes it possible to substantially improve the performance of triggering and resetting the thermal actuator.
  • the magnetothermal actuator of the invention conventionally comprises a magnetic actuator consisting of a coil placed in series in an electrical line, surrounding a fixed core and a movable core and driving the movable core between two positions respectively embodying two states. inactive and active actuator.
  • This mobile core is recalled in position corresponding to the inactive state of the actuator by means of first return means.
  • It furthermore comprises a thermal actuator comprising a deformable component made of thermosensitive material able to pass from a shape initial to a final form materializing two states respectively inactive and active actuator under the effect of heat generated around him.
  • the configuration is such that the magnetic actuator and the thermal actuator are collinear along an axis of revolution (X).
  • the magnetothermal actuator of the invention is characterized principally in that it comprises a heating element made of thermally conductive material placed in series with said coil, said heating element cooperating thermally with the deformable component being able to generate heat around him.
  • the heating element is placed in series with the coil, thus crossed by the same electric current. It heats up when it is covered by short circuit currents, as well as overloads.
  • the coil discharged from its role of heating the thermal subassembly, can then be dimensioned normally for the magnetic subassembly to which it belongs. Specifically, the number of turns is reduced, resulting in a decrease in its size within the actuator, and an economic gain in terms of manufacturing.
  • the magnetothermal actuator of the invention is also characterized by a main draw in that the heating element consists of a planar-like work piece, of the washer type, centered with respect to the axis (X), extending radially at the actuator and providing a heat transmission surface whose central portion is directly in contact with the deformable component.
  • the shape of the washer-shaped heating element therefore of relatively small thickness, and its alignment on the axis (X), makes it possible to integrate it easily within the actuator with a small space requirement.
  • This heating part being solely designed in thermally conductive material, steel, brass or copper, its manufacture is easy and its cost is low compared to that of an oversize coil as described in the prior art.
  • the thermal actuator comprises means of distribution and concentration of heat around the deformable component (10) so as to avoid the dispersion of calories within the actuator, and therefore the unnecessary heating of the magnetic subassembly .
  • said means for distributing and concentrating heat around the deformable component consist of an axis sleeve (X) of thermally conductive material surrounding the deformable component over its entire length, and comprising, at a first open end, a radially extending flange whose outer surface is contiguous to the heat transfer surface of the heating element.
  • X axis sleeve
  • This sleeve whose collar is in direct contact with the heating part, thus creates a "thermal cylinder" within which the deformable component can quickly heat and cool, depending on the current flowing through the heating part.
  • the sleeve distributes the heat all around the deformable component, while the heating element acts via the portion of the deformable component in contact with the central portion of the heat transmission surface.
  • the combination of the sleeve and the heating part thus optimally channels the calories, and guides them correctly within the actuator, for efficient heating of the deformable component.
  • the thermal inertia of the heating element and that of the sleeve are lower than that of the coil, since these elements are much less bulky than the coil, and designed in materials able to quickly follow temperature variations.
  • the magnetothermal actuator according to the invention comprises first thermal insulation means between the magnetic actuator and the thermal actuator.
  • These isolation means make it possible to prevent any heat transmission to the magnetic subassembly, so as not to damage the components in the long term, and to limit the volume of the zone undergoing thermal variations within the actuator. .
  • said first thermal insulation means consist of an air gap separating the magnetic actuator from the thermal actuator.
  • This air gap in practice separates said sleeve from the movable core, the sleeve being partly inserted into a housing of the movable core, the sleeve and the movable core being collinear with axis (X).
  • the deformable component consists of a central axis shape memory spring (X) capable of driving, when it regains its original deployed form by heating, a first collinear striker with the movable core, towards a corresponding position.
  • X central axis shape memory spring
  • the shape memory spring and the first striker being both positioned inside said sleeve, an orifice being provided in the wall of the second end of the sleeve to pass the first striker , said first striker and the movable core being able to drive in translation a second striker to a position corresponding to the active state of the actuator.
  • the shape memory spring and the first striker are returned to the position corresponding to the inactive state of the actuator by means of second return means located inside said sleeve.
  • the shape memory spring is thus found in a compressed position under the effect of the second return means.
  • the magnetothermal actuator of the invention comprises second heat-insulating means between the coil and the thermal actuator which consist of a piece of cylindrical shape with axis (X) made of insulating material of the plastic type, and separating the coil from all other components of the magnetothermal actuator.
  • the advantage of these second thermal insulation means is to prevent the coil from heating the other components of the actuator. Since the current of the line passes through the coil, it also heats up in case of overload. Since the coil no longer plays any role in thermal tripping, the heat it can generate must not influence the thermal tripping. Therefore, it is best to isolate it from all other components of the actuator.
  • this insulating piece comprises a cylindrical jacket around which is wound the coil and inside which are positioned the fixed and movable cores, the first return means, the second striker, and the part of the sleeve of the thermal actuator surrounding the first striker and the second return means.
  • This shirt thus corresponds to a conventional framework of a magnetic subassembly.
  • a plug closes said jacket at its proximal end of the heating element and separates the heating assembly, namely the heating element, the collar of the sleeve, the deformable component and the portion of the sleeve surrounding the deformable component, at the of the coil and the other components of the magnetic actuator, an orifice being provided in the plug to allow the portion of the sleeve surrounding the first striker to pass.
  • the trigger temperature threshold of the thermal actuator may be adjusted by adjustment means which may for example act on the length of the housing in which the second return means are located, so as to modify the prestressing they exert on the shape memory spring.
  • the present invention also relates to a circuit breaker type electrical protection device comprising a magnetothermic tripping system.
  • the magnetic actuator is constituted by a coil (5), a movable core (4), a fixed core (1) and first return means consisting of a spring (3).
  • a striker (2) which will be called “second striker” to comply with the first part of the description, driven by the movable core (4), allows if necessary to act on a trigger of a mechanical lock .
  • the operation of the magnetic actuator is traditional: during a significant rise in current, due for example to a short circuit, the magnetic field produced by the coil (5) causes the displacement of the mobile core (4) to the against the spring (3), driving the striker (2).
  • Said movable core (4) moves in the direction of the fixed core (1) which also serves as a stop during its translational movement.
  • a jacket (6a) around which is wound the coil (5) surrounds and guides the movable core (2) which slides therein.
  • the thermal actuator is located in the extension of the magnetic actuator, and is essentially composed of a heating part (11) traversed by the current, a deformable component (10) heat-sensitive material capable of being heated by the heating element (11), second return means in the form of a second spring (8), another striker (9), which will be called “first striker” to comply with the first part of the description, and a sleeve (7) surrounding the deformable component (10), the second spring (8) and the first striker (9).
  • these elements have for example a circular symmetry around an axis (X) which is also the axis of the coil (5) and / or displacement of the second striker (2).
  • the deformable component consists of a shape memory spring (10), which, when cold, ie at ambient temperature, is compressed by the second return spring (8), and, when it is hot, returns to its original shape by deploying axially against the second spring (8) of return.
  • the first striker (9) has an end shoulder (15) on which rest the shape memory spring (10) on one side and the spring (8) of return on the other inner face.
  • the general operation is as follows: when the electrical line undergoes a slow rise in the current, for example due to an overload, the magnetic field produced by the coil (5) is not sufficient to move the mobile core (4) to the against the spring means (3).
  • the heating element (11) directly heated by passage of the current, increases the temperature of the shape memory spring (10).
  • the return spring (8) is provided so that beyond a certain temperature threshold, the pressure force exerted on the flange of the first striker (9) by the shape memory spring (10) is greater than the return force of the spring (8).
  • said component (10) deforms, that is to say that the spring (10) relaxes and returns to its original shape, and causes the first striker (9) in the direction of arrow F which in turn drives the second striker (2) in the same direction, which actuates, in the event of an electrical apparatus with mechanical lock, a trigger forming part of said lock, causing the opening of the contacts.
  • thermo actuator namely the first striker (9), the movement of which, to actuate the trigger, does not fall within more than one magnetic energy but a mechanical energy from the shape memory spring (10).
  • the heating element (11) is conductive, high resistivity, and is connected in series with the coil (5). It is heated by the Joule effect, its temperature being proportional to the intensity of the current passing through it. It is made of a material of the steel, brass, or copper type depending on the gauge of the protective device in which the actuator is placed. It takes the form of a washer which extends radially within the actuator, and which has a heat transmission surface facing the shape memory spring (10).
  • the central portion (14) of this heat transmission surface is contiguous to and directly heats a first end of the shape memory spring (10).
  • the peripheral portion of this heat transmission surface is contiguous to and directly heats an end flange (13) of the sleeve (7) also developing radially within the actuator.
  • This flange (13) constitutes a large contact surface with the heating element (11) allowing efficient transmission of the heat energy from one to the other.
  • This collar (13) then diffuses heat through the cylindrical portion of the sleeve (7) which surrounds both the shape memory spring (10), the first striker (9), and the return spring (8).
  • the sleeve (7) is in fact made of a material that carries heat, of the aluminum type, and forms an envelope housing the various elements of the thermal actuator so as to distribute and to concentrate the heat around the shape memory spring. (10).
  • the first striker (9) moves along the axis (X) against the return spring (8) resting on a closed end (17) of the sleeve (7) opposite to the one where the collar (13) is.
  • the free end (16) of the first striker (9), opposite to that comprising the shoulder (15) passes successively through the closed end (17) of the sleeve (7) via an orifice and the movable core (4) in the direction (F) until it hits the second striker (2) and causes a thermal trip.
  • the second striker (2) is activated either by moving the movable core (4) for a magnetic trigger, or by moving the first striker (9) for a thermal trip.
  • an air gap (12) is provided between the cylindrical portion of the sleeve (7) and the wall interior of the mobile core housing (4).
  • the calories are not dissipated throughout the actuator.
  • a piece (6) of insulating plastic is integrated in the actuator so as to isolate the coil (5) from the other components of the actuator.
  • This piece (6) consists of said cylindrical jacket (6a), as described above, around which is wound the coil (5), and a plug (6b) closing the jacket (6a) at its end proximal of the heating element (11).
  • This plug (6b) thus isolates the heating assembly (namely the heating part (11), the flange (13) of the sleeve (7), the shape memory spring (10), the part of the sleeve (7) surrounding the shape memory spring (10)) of the components of the magnetic subassembly.
  • thermomagnetic actuator thus has two levels of insulation, to optimize the reactivity of the thermal subassembly, and thus reduce its general thermal inertia.
  • the trigger temperature threshold of the thermal actuator can be adjusted by adjustment means which act for example over the length of the housing in which the return spring (8), delimited between the closed end (17), is located. ) of the sleeve (7) and the shoulder (15) of the first striker (9).
  • this second shoulder makes it possible to compress more or less the return spring (8) so as to vary the prestressing it exerts on the shape memory spring (10) when the magnetothermal actuator is resting.

Description

  • La présente invention a trait à un actionneur magnétothermique en général, plus particulièrement destiné à un appareil électrique notamment du type disjoncteur, et conçu pour assurer la protection par ouverture d'au moins une ligne électrique en cas de défaut entraînant une élévation soit rapide du courant, par exemple suite à un court-circuit, soit lente en cas de surcharge dans le circuit. L'invention concerne également les appareils électriques qui sont munis d'un tel actionneur magnétothermique.
  • L'ouverture d'une ligne en cas d'apparition d'une défaillance telle que mentionnée ci-dessus résulte de l'existence, dans de tels appareils, d'un contact fixe et d'un contact mobile pouvant être séparés - dans cette hypothèse - par l'action de l'actionneur magnétothermique sur une serrure mécanique de déclenchement. Ces deux contacts sont disposés entre deux bornes de connexion qui permettent d'insérer l'appareil en série dans la ligne concernée.
  • Les deux types de défaillance sont respectivement pris en charge par une partie magnétique et une partie thermique de l'actionneur dont les temps de réaction sont très différents et correspondent en pratique au défaut qui apparaît sur la ligne. Ainsi, une élévation brusque et importante du courant, qui provient généralement d'un court-circuit sur la ligne à protéger, doit entraîner une ouverture rapide des contacts pour éviter d'endommager les dispositifs connectés au circuit. Une surcharge, reflétant une demande de courant sur la ligne correspondant à une charge trop élevée, mobilise plutôt le système de déclenchement thermique. Ce dernier prend souvent la forme d'un bilame qui se déforme sous l'action du chauffage excessif résultant de la surcharge de courant, et fait déclencher une serrure mécanique provoquant l'ouverture des contacts.
  • Le déclenchement magnétique est en général assuré par une bobine connectée en série dans le circuit, et qui coopère avec un circuit magnétique à culasse fixe et partie mobile canalisant le champ magnétique produit par la bobine, l'organe mobile jouant le rôle, directement ou via un percuteur, d'élément déclencheur de la serrure mécanique.
  • En remplacement d'un bilame thermique, il a été proposé notamment dans le document EP 0353816 d'insérer dans de tels actionneurs magnétothermiques un système basé sur l'existence d'un composant déformable en matériau thermosensible coopérant thermiquement avec la bobine, qui n'a pas d'effet sur l'actionneur magnétothermique lorsque la température dudit composant est en dessous d'un certain seuil.
  • Ce composant consiste en un ressort composé d'un alliage à mémoire de forme. Par définition, un alliage à mémoire de forme peut subir une déformation apparemment plastique de quelques pour cent dans une certaine gamme de température et retrouver intégralement sa forme initiale / originelle par réchauffage : c'est l'effet mémoire de forme.
  • Ce ressort à mémoire de forme peut se détendre pour reprendre sa forme originelle lorsque sa température interne dépasse un seuil grâce à la chaleur générée par la bobine, et est apte à se déformer à nouveau sous l'action d'un effort de compression lorsque sa température interne redescend sous ledit seuil.
  • La bobine, qui est traversée par le courant électrique, voit par conséquent sa température interne s'élever et émettre de la chaleur autour d'elle lors d'une surcharge lente de courant. Elle chauffe ainsi indirectement le composant déformable. Elle joue donc un rôle essentiel à la fois pour le déclenchement magnétique et pour le déclenchement thermique de l'actionneur.
  • L'inconvénient lié à ce type de configuration réside dans l'importante inertie thermique de la bobine. En effet, cette dernière met du temps à chauffer, et le composant déformable met ainsi du temps à retrouver sa forme originelle, entraînant dès lors un déclenchement tardif de l'actionneur thermique en comparaison aux performances de déclenchement désirées selon la courbe de protection thermique. De plus, de par la proximité des éléments composant l'actionneur magnétique et l'actionneur thermique, la bobine chauffe non seulement le composant déformable, mais également le sous-ensemble magnétique présent dans son voisinage. Le volume de chauffe est bien trop important, et le rendement de l'opération par conséquent faible.
  • De la même manière, la bobine met du temps à refroidir, et le composant déformable met ainsi du temps à refroidir et à revenir à sa position comprimée, empêchant dès lors un réarmement du produit en temps voulu.
  • A cette inertie thermique de refroidissement s'ajoute l'effet d'hystérésis du ressort à mémoire de forme qui met légèrement plus de temps à revenir à sa position comprimée qu'à venir à sa position déployée originelle.
  • Enfin, pour que la bobine puisse générer suffisamment de chaleur autour d'elle à l'effet précité, le dimensionnement de la bobine doit être réalisé en conséquence, c'est-à-dire que le nombre de spires qui la constitue doit être augmenté par rapport à un actionneur traditionnellement dévolu à la simple fonction magnétique, la section des spires étant quant à elle imposée, donc invariable. La bobine ainsi dimensionnée est d'une part relativement volumineuse, dans un appareil que l'on souhaite compact, et engendre d'autre part un besoin accru en matériau constitutif de la bobine par rapport à un produit traditionnel. Un tel actionneur magnétothermique est connu aussi du document DE 197 50 875 C1 . Ces problèmes sont résolus dans l'actionneur magnétothermique de l'invention, qui propose une solution dans laquelle la fonction thermique, bien que reposant sur le même principe à base d'un composant déformable en matériau thermosensible, permet d'améliorer sensiblement les performances de déclenchement et de réarmement de l'actionneur thermique.
  • À cet effet, l'actionneur magnétothermique de l'invention comporte classiquement un actionneur magnétique constitué d'une bobine placée en série dans une ligne électrique, entourant un noyau fixe et un noyau mobile et entraînant le noyau mobile entre deux positions matérialisant deux états respectivement inactif et actif de l'actionneur. Ce noyau mobile est rappelé en position correspondant à l'état inactif de l'actionneur au moyen de premiers moyens de rappel. Il comporte en outre un actionneur thermique comportant un composant déformable en matériau thermosensible apte à passer d'une forme initiale à une forme finale matérialisant deux états respectivement inactif et actif de l'actionneur sous l'effet d'une chaleur générée autour de lui. Enfin, la configuration est telle que l'actionneur magnétique et l'actionneur thermique sont colinéaires selon un axe de révolution (X).
  • En fait, l'actionneur magnétothermique de l'invention se caractérise à titre principal en ce qu'il comporte une pièce de chauffe en matériau thermoconducteur placée en série avec ladite bobine, ladite pièce de chauffe coopérant thermiquement avec le composant déformable en étant apte à générer une chaleur autour de lui.
  • Ce n'est donc plus la bobine qui chauffe le composant déformable, mais une pièce de chauffe qui remplit cette fonction. La bobine quant à elle est dédiée uniquement au fonctionnement du sous-ensemble magnétique de l'actionneur, qui reste traditionnel.
  • La pièce de chauffe est placée en série avec la bobine, donc traversée par le même courant électrique. Elle s'échauffe ainsi lorsqu'elle est parcourue par des courants de court-circuit, de même qu'en cas de surcharges.
  • La bobine, déchargée de son rôle de chauffage du sous-ensemble thermique, peut alors être dimensionnée normalement pour le sous-ensemble magnétique auquel elle appartient. Concrètement, le nombre de spires est réduit, entraînant de fait une diminution de son encombrement au sein de l'actionneur, et un gain économique en termes de fabrication. L'actionneur magnétothermique de l'invention se caractérise aussi à tire principal en ce que la pièce de chauffe consiste en une pièce d'allure plane, du type rondelle, centrée par rapport à l'axe (X), s'étendant radialement au sein de l'actionneur et offrant une surface de transmission de chaleur dont la partie centrale est directement en contact avec le composant déformable.
  • Le fait qu'il existe un contact direct entre la pièce de chauffe et le composant déformable permet à ce dernier d'absorber les calories de manière plus efficace, par transmission directe de chaleur. Ce type de chauffage direct permet au composant déformable de chauffer bien plus vite que s'il devait puiser ses calories dans l'environnement extérieur, de manière indirecte.
  • Par ailleurs, la forme de la pièce de chauffe en rondelle, donc d'épaisseur relativement faible, et son alignement sur l'axe (X), permet de l'intégrer facilement au sein de l'actionneur avec un encombrement réduit.
  • Cette pièce de chauffe étant uniquement conçue en matériau thermoconducteur, du type acier, laiton ou cuivre, sa fabrication est aisée et son coût est faible comparé à celui d'une bobine surdimensionnée telle que décrite dans l'art antérieur.
  • De façon avantageuse, l'actionneur thermique comporte des moyens de répartition et de concentration de chaleur autour du composant déformable (10) de manière à éviter la dispersion des calories au sein de l'actionneur, et donc le chauffage inutile du sous-ensemble magnétique.
  • Plus précisément, lesdits moyens de répartition et de concentration de chaleur autour du composant déformable consistent en un manchon d'axe (X) en matériau thermoconducteur entourant le composant déformable sur toute sa longueur, et comportant, au niveau d'une première extrémité ouverte, une collerette s'étendant radialement dont la surface extérieure est accolée à la surface de transmission de chaleur de la pièce de chauffe.
  • Ce manchon, dont la collerette est en contact direct avec la pièce de chauffe, permet ainsi de créer un « cylindre thermique» à l'intérieur duquel le composant déformable peut rapidement chauffer et refroidir, en fonction du courant qui traverse la pièce de chauffe.
  • Lors d'une surcharge sur la ligne, le manchon répartit la chaleur tout autour du composant déformable, tandis que de la pièce de chauffe agit via la portion du composant déformable en contact avec la partie centrale de la surface de transmission de chaleur. L'association du manchon et de la pièce de chauffe permet ainsi de canaliser optimalement les calories, et de les guider correctement au sein de l'actionneur, pour un chauffage efficace du composant déformable.
  • L'inertie thermique de la pièce de chauffe et celle du manchon sont inférieures à celle de la bobine, étant donné que ces éléments sont nettement moins volumineux que la bobine, et conçus dans des matériaux aptes à suivre rapidement des variations de température.
  • Avantageusement, l'actionneur magnétothermique selon l'invention comprend des premiers moyens d'isolation thermique entre l'actionneur magnétique et l'actionneur thermique. Ces moyens d'isolation permettent d'empêcher toute transmission de chaleur vers le sous-ensemble magnétique, de manière à ne pas détériorer les composants à long terme, et à limiter le volume de la zone subissant les variations thermiques au sein de l'actionneur. Plus ledit volume est petit, plus l'inertie thermique est faible et l'efficacité du process améliorée.
  • Selon une possibilité, lesdits premiers moyens d'isolation thermique consistent en une lame d'air séparant l'actionneur magnétique de l'actionneur thermique. Cette lame d'air sépare en pratique ledit manchon du noyau mobile, le manchon étant en partie inséré dans un logement du noyau mobile, le manchon et le noyau mobile étant colinéaires d'axe (X).
  • Selon l'invention, le composant déformable consiste en un ressort à mémoire de forme d'axe central (X) apte à entraîner, lorsqu'il retrouve par chauffage sa forme originelle déployée, un premier percuteur colinéaire au noyau mobile, vers une position correspondant à l'état actif de l'actionneur, le ressort à mémoire de forme et le premier percuteur étant tous deux positionnés à l'intérieur dudit manchon, un orifice étant prévu dans la paroi de la seconde extrémité du manchon pour laisser passer le premier percuteur, ledit premier percuteur et le noyau mobile étant aptes à entraîner en translation un second percuteur vers une position correspondant à l'état actif de l'actionneur. Le ressort à mémoire de forme et le premier percuteur sont rappelés en position correspondant à l'état inactif de l'actionneur au moyen de seconds moyens de rappel localisés à l'intérieur dudit manchon. Le ressort à mémoire de forme se retrouve ainsi en position comprimée sous l'effet des seconds moyens de rappel.
  • De préférence, l'actionneur magnétothermique de l'invention comprend des seconds moyens d'isolation thermique entre la bobine et l'actionneur thermique qui consistent en une pièce d'allure cylindrique d'axe (X) en matériau isolant du type plastique, et séparant la bobine de tous les autres composants de l'actionneur magnétothermique. L'intérêt de ces seconds moyens d'isolation thermique est d'éviter que la bobine ne chauffe les autres composants de l'actionneur. Puisque le courant de la ligne traverse la bobine, cette dernière chauffe en effet aussi en cas de surcharge. La bobine ne jouant désormais plus aucun rôle dans le déclenchement thermique, la chaleur qu'elle peut générer ne doit pas influencer dans le déclenchement thermique. Par conséquent, il est préférable de l'isoler de tous les autres composants de l'actionneur.
  • Plus précisément, cette pièce isolante comprend une chemise cylindrique autour de laquelle est enroulée la bobine et à l'intérieur de laquelle sont positionnés les noyaux fixe et mobile, les premiers moyens de rappel, le second percuteur, ainsi que la partie du manchon de l'actionneur thermique entourant le premier percuteur et les seconds moyens de rappel. Cette chemise correspond donc à une ossature classique d'un sous-ensemble magnétique. Un bouchon ferme ladite chemise au niveau de son extrémité proximale de la pièce de chauffe et sépare l'ensemble chauffant, à savoir la pièce de chauffe, la collerette du manchon, le composant déformable et la partie du manchon entourant le composant déformable, à la fois de la bobine et des autres composants de l'actionneur magnétique, un orifice étant prévu au sein du bouchon pour laisser passer la partie du manchon entourant le premier percuteur.
  • Optionnellement, le seuil de température de déclenchement de l'actionneur thermique peut être ajusté par des moyens de réglage qui peuvent par exemple agir sur la longueur du logement dans lequel se trouvent les seconds moyens de rappel, de manière à modifier la précontrainte qu'ils exercent sur le ressort à mémoire de forme.
  • La présente invention concerne par ailleurs un appareil électrique de protection de ligne de type disjoncteur comportant un système de déclenchement magnétothermique.
  • L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures annexées, pour lesquelles :
    • la figure 1 est une vue en section schématique d'une configuration d'actionneur magnétothermique selon l'invention, dans laquelle le composant en matériau thermosensible est un ressort à mémoire de forme ;
    • la figure 2 est une vue éclatée de cette configuration d'actionneur magnétothermique.
  • Dans les figures 1 et 2, l'actionneur magnétique est constitué d'une bobine (5), d'un noyau mobile (4), d'un noyau fixe (1) et de premiers moyens de rappel constitués d'un ressort (3). Un percuteur (2), que l'on appellera "second percuteur" pour se conformer avec la première partie de la description, entraîné par le noyau mobile (4), permet le cas échéant d'agir sur un déclencheur d'une serrure mécanique. Le fonctionnement de l'actionneur magnétique est traditionnel : lors d'une élévation importante de courant, due par exemple à un court-circuit, le champ magnétique produit par la bobine (5) provoque le déplacement du noyau mobile (4) à l'encontre du ressort (3), entraînant le percuteur (2). Ledit noyau mobile (4) se déplace dans la direction du noyau fixe (1) qui lui sert d'ailleurs de butée au cours de son mouvement translatif. Une chemise (6a), autour de laquelle est enroulée la bobine (5) entoure et guide le noyau mobile (2) qui y coulisse.
  • L'actionneur thermique se situe dans le prolongement de l'actionneur magnétique, et se compose à titre essentiel d'une pièce de chauffe (11) parcourue par le courant, d'un composant déformable (10) en matériau thermosensible apte à être chauffé par la pièce de chauffe (11), de seconds moyens de rappel sous la forme d'un second ressort (8), d'un autre percuteur (9), que l'on appellera "premier percuteur" pour se conformer avec la première partie de la description, et d'un manchon (7) entourant le composant déformable (10), le second ressort (8) et le premier percuteur (9). Dans la configuration de l'invention, ces éléments présentent par exemple une symétrie circulaire autour d'un axe (X) qui est également l'axe de la bobine (5) et/ou de déplacement du second percuteur (2).
  • Le composant déformable consiste en un ressort à mémoire de forme (10), qui, lorsqu'il est froid, c'est-à-dire à température ambiante, est comprimé par le second ressort (8) de rappel, et, lorsqu'il est chaud, retrouve sa forme originelle en se déployant axialement à l'encontre du second ressort (8) de rappel.
  • Le premier percuteur (9) présente un épaulement (15) d'extrémité sur laquelle viennent s'appuyer le ressort à mémoire de forme (10) sur une face et le ressort (8) de rappel sur l'autre face interne.
  • Le fonctionnement général est le suivant : lorsque la ligne électrique subit une élévation lente du courant faisant par exemple suite à une surcharge, le champ magnétique produit par la bobine (5) n'est pas suffisant pour déplacer le noyau mobile (4) à l'encontre des moyens ressort (3). En revanche, la pièce de chauffe (11), directement chauffée par passage du courant, augmente la température du ressort à mémoire de forme (10). Le ressort de rappel (8) est prévu pour qu'au delà d'un certain seuil de température, la force de pression exercée sur la collerette du premier percuteur (9) par le ressort à mémoire de forme (10) soit supérieure à la force de rappel du ressort (8).
  • Ainsi, lorsque la température dans le composant déformable (10) atteint ledit seuil de température, ledit composant (10) se déforme, c'est-à-dire que le ressort (10) se détend et reprend sa forme originelle, et entraîne le premier percuteur (9) dans la direction de la flèche F qui vient à son tour entraîner le second percuteur (2) dans cette même direction, lequel actionne, dans l'hypothèse d'un appareil électrique à serrure mécanique, un déclencheur faisant partie de ladite serrure, provoquant l'ouverture des contacts.
  • Il y a donc une partie mobile de l'actionneur thermique, à savoir le premier percuteur (9), dont le déplacement, visant à actionner le déclencheur, ne relève plus d'une énergie magnétique mais d'une énergie mécanique provenant du ressort à mémoire de forme (10).
  • La pièce de chauffe (11) est prévue conductrice, à forte résistivité, et est connectée en série à la bobine (5). Elle est donc chauffée par effet Joule, sa température étant proportionnelle à l'intensité du courant la traversant. Elle est fabriquée dans un matériau du type acier, laiton, ou cuivre selon le calibre de l'appareil de protection dans lequel est placé l'actionneur. Elle prend la forme d'une rondelle qui s'étend radialement au sein de l'actionneur, et qui présente une surface de transmission de chaleur orientée vers le ressort à mémoire de forme (10).
  • Plus précisément, la partie centrale (14) de cette surface de transmission de chaleur est accolée à et chauffe directement une première extrémité du ressort à mémoire de forme (10). Lorsque ce dernier se déploie pour retrouver sa forme originelle, il prend appui sur cette partie centrale (14) pour pousser le second percuteur (9) selon la direction (F). La partie périphérique de cette surface de transmission de chaleur est accolée à et chauffe directement une collerette (13) d'extrémité du manchon (7) se développant également radialement au sein de l'actionneur. Cette collerette (13) constitue une grande surface de contact avec la pièce de chauffe (11) permettant une transmission efficace de l'énergie calorifique de l'une à l'autre. Cette collerette (13) diffuse alors la chaleur à travers la partie cylindrique du manchon (7) qui entoure à la fois le ressort à mémoire de forme (10), le premier percuteur (9), et le ressort de rappel (8). Le manchon (7) est en fait constitué dans un matériau qui véhicule la chaleur, du type aluminium, et forme une enveloppe logeant les différents éléments de l'actionneur thermique de manière à répartir et à concentrer la chaleur autour du ressort à mémoire de forme (10).
  • La partie cylindrique du manchon (7), entourant le premier percuteur (9) et le ressort de rappel (8), est positionnée dans un logement du noyau mobile (4). Le premier percuteur (9) se déplace selon l'axe (X) à l'encontre du ressort de rappel (8) reposant sur une extrémité fermée (17) du manchon (7) opposée à celle où se trouve la collerette (13). L'extrémité libre (16) du premier percuteur (9), opposée à celle comprenant l'épaulement (15), traverse successivement l'extrémité fermée (17) du manchon (7) via un orifice et le noyau mobile (4) dans la direction (F), jusqu'à heurter le second percuteur (2) et provoquer un déclenchement thermique. Le second percuteur (2) est donc activé, soit par le déplacement du noyau mobile (4) pour un déclenchement magnétique, soit par le déplacement du premier percuteur (9) pour un déclenchement thermique.
  • Pour que la chaleur générée par le manchon reste canalisée au niveau du sous-ensemble thermique et soit isolée par rapport au sous-ensemble magnétique, une lame d'air (12) est prévue entre la partie cylindrique du manchon (7) et la paroi intérieure du logement du noyau mobile (4). Ainsi, les calories ne sont pas dissipées dans tout l'actionneur.
  • De plus, une pièce (6) en plastique isolant est intégrée dans l'actionneur de manière à isoler la bobine (5) des autres composants de l'actionneur. Cette pièce (6) est constituée de ladite chemise cylindrique (6a), telle que décrite précédemment, autour de laquelle est enroulée la bobine (5), et d'un bouchon (6b) fermant la chemise (6a) au niveau de son extrémité proximale de la pièce de chauffe (11). Ce bouchon (6b) isole ainsi l'ensemble chauffant (à savoir la pièce de chauffe (11), la collerette (13) du manchon (7), le ressort à mémoire de forme (10), la partie du manchon (7) entourant le ressort à mémoire de forme (10)) des composants du sous-ensemble magnétique.
  • Cet actionneur thermomagnétique présente ainsi deux niveaux d'isolation, permettant d'optimiser la réactivité du sous-ensemble thermique, et donc de diminuer son inertie thermique générale.
  • Optionnellement, le seuil de température de déclenchement de l'actionneur thermique peut être ajusté par des moyens de réglage qui agissent par exemple sur la longueur du logement dans lequel se trouve le ressort de rappel (8), délimitée entre l'extrémité fermée (17) du manchon (7) et l'épaulement (15) du premier percuteur (9).
  • Pour faire varier cette longueur, il est possible de disposer un deuxième épaulement sur le percuteur (9) dont la position longitudinale serait ajustable, et sur lequel s'appuierait le ressort de rappel (8), le premier épaulement (15) ne servant plus qu'à l'appui du ressort à mémoire de forme (10).
  • La position longitudinale de ce deuxième épaulement (15) permet de comprimer plus ou moins le ressort de rappel (8) de manière à faire varier la précontrainte qu'il exerce sur le ressort à mémoire de forme (10) lorsque l'actionneur magnétothermique est au repos.

Claims (13)

  1. Actionneur magnétothermique comportant :
    - un actionneur magnétique constitué d'une bobine (5) placée en série dans une ligne électrique, entourant un noyau fixe (1) et un noyau mobile (4) et entraînant le noyau mobile (4) entre deux positions matérialisant deux états respectivement inactif et actif de l'actionneur, ledit noyau mobile (4) étant rappelé en position correspondant à l'état inactif de l'actionneur au moyen de premiers moyens de rappel (3) ;
    - un actionneur thermique comportant un composant déformable (10) en matériau thermosensible apte à passer d'une forme initiale à une forme finale matérialisant deux états respectivement inactif et actif de l'actionneur sous l'effet d'une chaleur générée autour de lui ;
    l'actionneur magnétique et l'actionneur thermique étant colinéaires selon un axe de révolution (X),
    caractérisé en ce que l'actionneur thermique comporte une pièce de chauffe (11) en matériau thermoconducteur placée en série avec ladite bobine (5), ladite pièce de chauffe (11) coopérant thermiquement avec le composant déformable (10) en étant apte à générer une chaleur autour de lui, ladite pièce de chauffe (11) consistant en une pièce d'allure plane, du type rondelle, centrée par rapport à l'axe (X), s'étendant radialement au sein de l'actionneur et offrant une surface de transmission de chaleur dont la partie centrale (14) est directement en contact avec le composant déformable (10).
  2. Actionneur magnétothermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'actionneur thermique comporte des moyens de répartition et de concentration de chaleur autour du composant déformable (10).
  3. Actionneur magnétothermique selon la revendication précédente,
    caractérisé en ce que lesdits moyens de répartition et de concentration de chaleur autour du composant déformable (10) consistent en un manchon (7) d'axe (X) en matériau thermoconducteur entourant le composant déformable (10) sur toute sa longueur, et comportant, au niveau d'une première extrémité ouverte, une collerette (13) s'étendant radialement dont la surface extérieure est accolée à la surface de transmission de chaleur de la pièce de chauffe (11).
  4. Actionneur magnétothermique selon la revendication précédente,
    caractérisé en ce que l'inertie thermique de la pièce de chauffe (11) et du manchon (7) est inférieure à celle de la bobine (5).
  5. Actionneur magnétothermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens d'isolation thermique entre l'actionneur magnétique et l'actionneur thermique.
  6. Actionneur magnétothermique selon la revendication précédente,
    caractérisé en ce que lesdits premiers moyens d'isolation thermique consistent en une lame d'air (12) séparant l'actionneur magnétique de l'actionneur thermique.
  7. Actionneur magnétothermique selon la revendication précédente,
    caractérisé en ce que ladite lame d'air (12) sépare ledit manchon (7) du noyau mobile (4), le manchon (7) étant en partie inséré dans un logement du noyau mobile (4), le manchon (7) et le noyau mobile (4) étant colinéaires d'axe (X).
  8. Actionneur magnétothermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant déformable (10) consiste en un ressort à mémoire de forme d'axe central (X) apte à entraîner, lorsqu'il retrouve par chauffage sa forme originelle déployée, un premier percuteur (9) colinéaire au noyau mobile (4), vers une position correspondant à l'état actif de l'actionneur, le ressort à mémoire de forme et le premier percuteur (9) étant tous deux positionnés à l'intérieur dudit manchon (7), un orifice étant prévu dans la paroi de la seconde extrémité du manchon (7) pour laisser passer le premier percuteur (9), ledit premier percuteur (9) et le noyau mobile (4) étant aptes à entraîner en translation un second percuteur (2) à l'encontre des premiers moyens de rappels (3) vers une position correspondant à l'état actif de l'actionneur.
  9. Actionneur magnétothermique selon la revendication précédente,
    caractérisé en ce que le ressort à mémoire de forme (10) et le premier percuteur (9) sont rappelés en position correspondant à l'état inactif de l'actionneur au moyen de seconds moyens de rappel (8) localisés à l'intérieur dudit manchon (7).
  10. Actionneur magnétothermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des seconds moyens d'isolation thermique entre la bobine (5) et l'actionneur thermique.
  11. Actionneur magnétothermique selon la revendication précédente,
    caractérisé en ce que lesdits seconds moyens d'isolation thermique consistent en une pièce (6) d'allure cylindrique d'axe (X) en matériau isolant du type plastique, et séparant la bobine (5) de tous les autres composants de l'actionneur magnétothermique.
  12. Actionneur magnétothermique selon la revendication précédente,
    caractérisé en ce que ladite pièce (6) isolante comprend :
    - une chemise cylindrique (6a) autour de laquelle est enroulée la bobine (5) et à l'intérieur de laquelle sont positionnés les noyaux fixe (1) et mobile (4), les premiers moyens de rappel (3), le second percuteur (2), ainsi que la partie du manchon (7) de l'actionneur thermique entourant le premier percuteur (9) et les seconds moyens de rappel (8) ;
    - un bouchon (6b) fermant ladite chemise (6a) au niveau de son extrémité proximale de la pièce de chauffe (11) et séparant l'ensemble chauffant, à savoir la pièce de chauffe (11), la collerette (13) du manchon (7), le composant déformable (10) et la partie du manchon (7) entourant le composant déformable (10), à la fois de la bobine (5) et des autres composants de l'actionneur magnétique, un orifice étant prévu au sein du bouchon pour laisser passer la partie du manchon (7) entourant le premier percuteur (9).
  13. Appareil électrique de protection de ligne, de type disjoncteur, comportant un actionneur magnétothermique selon l'une des revendications précédentes.
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