FR2622361A1 - Connecteur electrique pour le passage de courants de tres fortes intensites et de courtes durees - Google Patents

Abstract

Dans un connecteur électrique devant supporter des courants d'intensité très élevés et de brève durée (tel que des courants de court-circuit), un élément A de connecteur est en forme de douille 2; l'autre élément B de connecteur est en forme de broche 1 apte à coopérer avec la douille, et ayant un diamètre proportionnel à la racine carrée du temps de passage du courant; la liaison électrique entre broche et douille est assurée par un contact annulaire en forme de bracelet 4 élastiquement déformable radialement, en forme de grecque, ayant une surface en métal mou tel que l'or, procurant une multiplicité de points de contact 7, 8 aussi nombreux et rapprochés que possible.

Description

Connecteur electriaue Dour le passade de courants de tres fortes intensités et de courtes durées.

La présente invention concerne un connecteur electrique specifiquement destiné â raccorder deux organes électriquement conducteurs susceptibles d'être parcourus par des courants d'intensité très élevée et de brève durée, notamment par des courants de court-circuit, comportant - un premier élément du connecteur qui est muni d'au
moins un alésage parallèle à son axe formant douille,
et - un second élément du connecteur, accouplable mécani
quement avec le précédent, qui est muni d'au moins un
doigt formant broche apte à être abrité dans le
susdit alésage lorsque les deux éléments de
connecteur sont accouplés l'un à l'autre.

I1 est connu que, dans les connecteurs électriques agencés pour être couramment connectés ou déconnectés, il est difficile de se rendre parfaitement maitre des surfaces de passage pour le courant électrique, quel que soit le type de contacts utilisés de façon habituelle (contacts glissants à broche et douille, contacts aboutés). Dans la plupart des domaines d'utilisation traditionnelle des connecteurs électriques, les intensités des courants restent relativement faibles (de l'ordre de quelques centaines d'ampères au maximum), et il n'en résulte en principe aucun inconvénient notable.

Par contre, pour des intensités très élevées de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers, voire plusieurs centaines de milliers d'ampères (cas des courants de court-circuit par exemple), les surfaces de passage offertes au courant circulant d'un contact a l'autre dans un connecteur de conception traditionnelle seraient trop faibles : bien que des courants d'intensités aussi élevées soient de brèves durées (de quelques millisecondes à quelques secondes au maximum), l'échauffement qui en résulte est très important et provoquerait une fusion des zones métalliques en contact, avec leur soudure subséquente : le connecteur serait "collé" et la déconnexion serait rendue impossible ; le connecteur détérioré devrait alors être remplacé après chaque passage d'un courant.

Pour des liaisons électriques amovibles destinées à supporter sans dommages de très fortes intensités, il est par conséquent usuel d'écarter l'emploi de connecteurs électriques de type traditionnel et d'utiliser des assemblages boulonés. Toutefois, dans ce cas, l'amovibilité des liaisons est médiocre : il est nécessaire d'avoir recours à des outillages, le montage et le démontage sont longs.

L'invention a essentiellement pour objet de remédier à ces inconvénients et de proposer un connecteur électrique à deux éléments accouplables spécifiquement agencé pour pouvoir supporter, sans "collage" et sans détérioration, des intensités très élevées de plusieus dizaines, voire plusieurs centaines de milliers d'ampères pendant des durées brèves (cas des courants de court-circuit).

A cette fin, un connecteur électrique agencé selon l'invention se caractérise essentiellement par la combinaison des dispositions qui suivent - le contact entre les organes coopérants (douille et
broche) est assuré par au moins un contact annulaire
en forme de bracelet porté par l'un de ces organes,
ce bracelet étant constitué par un ruban en un
matériau électriquement conducteur élastiquement
déformable et ayant une conformation approximative
ment en grecque ou une conformation analogue lui
conférant une élasticité radiale, ce bracelet étant
cintré transversalement pour être en appui par ses
bords longitudinaux sur son organe de support et
centralement sur l'autre organe, - la surface du ruban est constituée en un métal, tel
que l'or, électriquement bon conducteur et relative
ment mou et apte à s 'écraser sensiblement dans ses
zones de contact avec les deux organes pour ainsi
accroître la surface de contact offerte au passage du
courant, - le diamètre dé la broche ainsi que l'épaisseur de la
douille sont déterminés en proportion de la racine
carrée du temps de passage du courant, et - les points de contact circonférentiellement consé
cutifs du bracelet avec l'un et l'autre des susdits
organes sont aussi nombreux, et donc aussi rapprochés
les uns des autres que possible, et leur espacement
est sensiblement constant.

Grace à cet agencement, on se rend maitre des zones de contact entre les deux éléments de connecteur accouplés, aussi bien pour ce qui est de leur nombre que pour ce qui est de leur surface individuelle approximative. Il en résulte que l'on peut de façon corrélative, étant connue l'intensité du courant devant être supportée par le connecteur, se rendre maitre de l'élévation de température au niveau de chaque contact de manière que l'échauffement ne soit en nul endroit excessif, et en tout cas reste suffisamment faible pour ne pas entrainer de "collage" (par exemple température maintenue inférieure à 200"c ou 250-C).

Le connecteur agencé selon l'invention cumule donc l'avantage d'une connexion et d'une déconnexion faciles et rapides propres aux connecteurs électriques traditionnels et l'avantage d'autoriser le passage de courant de brève durée et d'intensités très élevées, sans présenter les inconvénients exposés plus haut.

Avantageusement, toujours pour éviter une élévation trop rapide de la température, l'écart entre deux points d'appui consécutifs du bracelet avec l'un et l'autre des susdits organes est supérieur à la somme des distances de pénétration de la chaleur générées en ces deux points d'appui consécutifs pendant la durée de passage du courant.

De préférence, la couche de métal surfacique, en principe en or, a une épaisseur d'au moins 1,3 pm de manière que soit rendu possible un écrasement de ce métal relativement mou au niveau des pièces en contact, écrasement qui entraîne un accroissement bénéfique de la surface de contact.

Pour etre assuré que le bracelet de contact puisse supporter sans détérioration les températures consécutives au passage du courant , les deux extrémités libres du ruban sont soudées par points l'une à l'autre avant réalisation des traitements de surface.

Pour favoriser une meilleure diffusion de la chaleur compte tenu de la durée en principe faible de passage du courant, au moins la partie du premier élément de connecteur formant douille et au moins la partie du second élément de connecteur formant broche sont constituées sous forme de pièces massives en un matériau thermiquement et électriquement bon conducteur; avantageusement ces pièces massives sont constituées en cuivre revêtu d'une couche d'or.

Dans un mode de réalisation peu complexe, la surface de l'organe opposée au bracelet est lisse et ne présente aucun relief sensible, notamment résultant de l'usinage
Pour assurer la retenue du bracelet sur son organe de support, on prévoit que le bracelet présente des pattes rabattues réparties circonférentiellement le long d'un de ses bords et en ce que l'organe de support dudit bracelet présente une gorge annulaire apte à recevoir lesdites pattes en vue d'une retenue axiale du bracelet.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré donné uniquement à titre d'exemple non limitatif ; dans cette description on se réfère au dessin annexé sur lequel la figure unique montre, en vue de côté avec coupes partielles, un connecteur électrique agencé conformément à l'invention en cours de connexion ou de déconnexion.

Comme représenté sur la figure, le connecteur se compose d'un premier élément du connecteur A ou élément mâle, ayant dans sa-portion antérieure la forme générale d'une broche 1, et d'un second élément de connecteur B ou élément femelle, ayant dans sa portion antérieure la forme générale d'une douille avec un alésage axial 2 dimensionné pour recevoir la broche 1. Les deux éléments de connecteur A et B sont bien entendu conformés dans leurs parties arrières respectives (ou queues), non montrées sur la figure, pour être raccordées à des conducteurs respectifs.

Sur la figure, seules les parties des éléments de connecteur A-et B nécessaires à-la compréhension de l'invention sont représentées.

Les deux éléments de connecteur A et B sont, au moins dans leurs portions antérieures respectives, réa iisés sous forme massive, c'est-à-dire que la broche 1 et la douille 2 sont usinées (notamment par tournage) dans des blocs métalliques, les parois 3 de la douille 2 étant épaisses. Le matériau utilisé doit être électriquement et thermiquement bon conducteur et avoir une résistance mécanique suffisante. On pourra avantageusement réaliser ces pièces massives en cuivre (qui en outre est facile à usiner, notamment à tourner), recouvert d'une couche d'or relativement épaisse, par exemple d'au moins 1,3 ijm.

Dans l'exemple représenté, l'alésage 2 possède une surface lisse (aussi lisse que possible pour assurer une qualité de contact optimale), tandis que la broche 1 porte des contacts électriques 3 et présente elle aussi un état de surface aussi bon que celui de l'alésage 2.

Les contacts 4 sont représentés au nombre de quatre, constitués sous forme de bracelets enserrant la douille et disposés les uns à la suite des autres.

La broche 1 présente quatre cuvettes annulaires 5, de relativement faible profondeur, dans lesquelles sont logés respectivement les quatre bracelets. Les zones annulaires 6 non évidées encadrant chaque cuvette annulaire conservent le diamètre nominal de la broche qui correspond au diamètre de l'alésage 2, et servent à assurer le guidage de la broche 1 au cours de son mouvement de glissement dans l'alésage 2 (connexion ou déconnexion) et le maintien sans Deu de la broche dans l'alésage dans la position connectée.

Sur la figure, pour plus de clarté, la broche 1 est montrée partiellement engagée dans l'alésage 2, le premier contact ou bracelet 4a étant alors coincé entre la broche et la surface de l'alésage, tandis que les trois autres contacts 4b, 4c et 4d sont à l'extérieur de la douille et non déformés ; le dernier contact 4d est montré partiellement en coupe pour que certains détails d'agencement soient visibles.

Chaque contact annulaire ou bracelet 4 est constitué par un ruban en un matériau électriquement conducteur et possédant une relative élasticité, par exemple en bronze au beryllium revêtu d'une couche de nickel servant de base à un revêtement surfacique d'or ayant une épaisseur assez notable d'au moins 1,3 zm. Le ruban présente une conformation approximativement en grecque ou une conformation voisine ou analogue qui lui procure une possibilité de. déformation radiale élastique pour enserrer fermement la surface du fond de la cuvette qu'il entoure.Pour former le bracelet, les deux extrémités du tronçon de ruban en grecque sont mises en chevauchement mutuel, puis soudés par points l'une à l'autre, avant réalisation des traitements de surface (dépôt des couches de nickel, puis d'or) : une telle liaison est apte à supporter sans dommage des températures de 200 à 250in.

Chaque contact annulaire ou bracelet 4 est cambré transversalement avec la face concave tournée vers la broche : cette disposition assure d'une double rangée de contacts du bracelet 4 avec la broche 1, ces contacts étant réalisés par l'appui des parties courbes ou point de rebroussement 7 de la grecque sur la broche, et assure également d'une rangée de contacts du bracelet 4 avec la surface de l'alésage 2 (voir le bracelet 4a sur la figure) dans la position connectée des deux éléments de connecteur A et B, ces contacts étant réalisés par l'appui de la surface externe convexe des lames ou parties longitudinales 8 de la grecque sur l'alésage 2.

Pour assurer une solidarisation axiale des bracelets 4 à la broche 1, il est prévu une gorge annulaire 9 creusée le long d'un des bords (le bord gauche sur la figure) de chaque cuvette annulaire 5, gorge dans laquelle sont engagés des rabats 10 présentés par les parties courbes ou point de rebroussement 7 situées du côté correspondant du bracelet associé.

On choisit l'épaisseur de la paroi 3 de la douille et le diamètre de la broche en proportion de la racine carrée du temps de passage du courant, et les points d'appui ou contacts du bracelet avec la broche et la douille sont aussi nombreux, et donc aussi rapprochés les uns des autres que possible, et leur espacement est sensiblement constant sur toute la périphérie de la broche.

L'agencement qui vient d'être décrit procure donc une multiplicité de points d'appui ou contacts, d'une part, entre la broche 1 et les bracelets 4 et, d'autre part, entre les bracelets 4 et la douille munie de l'alésage 2. Le nombre de ces contacts dépend évidemment du nombre des bracelets, de l'écartement ou pas entre les lames 8 des bracelets et du diamètre de la broche 1.

Il en résulte une multiplicité des trajets offerts au passage du courant et chaque point d'appui ou contact du bracelet avec la broche et la douille ne voit passer qu'une fraction de ce courant.

En outre, le revêtement en or, qui est un métal relativement mou, sur les surfaces en contact du bracelet, de la broche et de la douille, est apte à s'écraser dans les zones d'appui sous l'action des pressions mécaniques dues à l'appui élastique du bracelet ; cet écrasement augmente la surface offerte au passage du courant.

Il résulte de l'ensemble des dispositions qui précèdent que la résistance électrique offerte par chaque point d'appui ou de contact du bracelet est très faible et que, du fait de la multiplicité de ces points de contact, l'intensité du courant traversant chacun d'eux est elle-aussi réduite. Par conséquent, l'échauffement dû à l'effet Joule est fortement réduit. La chaleur dégagée est facilement évacuée au sein de la broche et de la douille réalisées sous forme massive, qui joue ainsi le rôle d'aspirateurs thermiques et de dissipateurs thermiques.

Pour accroître l'efficacité de cet ensemble de dispositions, on peut en outre prévoir que, bien qu'étant aussi rapprochés que possible comme indiqué plus haut, les points d'appui ou de contact du bracelet sur la broche et sur la douille sont agencés pour que l'écart entre deux consécutifs d'entre eux soit supérieur à la profondeur de pénétration de la chaleur pendant la durée de passage du courant. On évite ainsi la superposition des nappes de chaleur se propageant dans le métal depuis deux points de contact voisin.

La conséquence qui est retirée de l'agencement général d'un connecteur conforme à l'invention est qu'on évite l'accumulation de chaleur au niveau de chaque point d'appui ou de contact des bracelets avec la broche et avec la douille et qu'il est possible de maintenir la température en ces points inférieure à 200 ou 250*C, c est-à-dire bien en-dessous de la température de ramolissement du métal : on évite alors le "collage" mutuel des deux éléments de connecteur A et B, bien que le connecteur ait véhiculé un courant d'intensité très élevée.

Dans un exemple de réalisation typique, la broche, ayant un diamètre nominal de 18 mm, est équipée de quatre bracelets présentant chacun 46 points d'appui ou de contact. La douille a une paroi de 4 mm d'épaisseur
Pour les essais des sondes de température sont disposées dans la paroi de la douille, à 0,7 mm de la surface de l'alésage, en regard de chaque bracelet. La température ambiante est de 28,7oC. Après le passage d'un courant de 400A pendant une durée de 5 s, les températures détectées par les quatre sondes étaient comprises entre 39 C et 40,4'C, tandis que la température sur la surface extérieure de la douille (sur une surface annulaire de 300 mm2 en regard des quatre bracelets) était de 35,9 C.

Après une durée de 1h10mn les températures détectées par les quatre sondes étaient comprises entre 70,5"c et 71,2su, la température de la surface extérieure de la douille étant de 61,2-C.

D'autres essais effectués sur le même connecteur à une température ambiante de 24,8-C ont donné les résultats suivants - pour des courants de 500 A à 6000 A appliqués pendant
100 ms, la résistance de contact est de 11 Un - pour un courant de 2000 A appliqué pendant 2s,
l'élévation de température mesurée sur le connecteur
est de 0,4'C ;; - pour des courants de 6300 A à 20 000 A appliqués
pendant 100 ms, la résistance de contact est restée
comprise entre 11 et 11,8 pn - un courant de 24 888 A appliqué pendant 100 ms a
entraîné une élévation de température mesurée sur le
contact de 5,4"C - au cours d'un essai destructif effectué avec un
courant de 25 000 A appliqué pendant îs, la résis
tance de contact a été de 12,3 ijfl et l'accroissement
de température de 61,6"C.

Bien entendu, le mode de réalisation qui précède n'est pas le seul possible et il est possible d'intervertir les rôles joués par la broche et la douille, et de conformer la douille pour qu'elle supporte les bracelets de contact, la broche étant alors lisse. Il est également possible d'envisager un agencement mixte, dans lequel la broche et la douille supportent des bracelets de contact respectifs.

On comprendra, d'après la description qui vient d'être faite, qu'il est possible de réaliser des connecteurs aptes à supporter sans destruction des courants de très grande intensité (par exemple plusieurs dizaines ou centaines de milliers d'ampères) circulant pendant des durées relativement brèves (quelques centaines de millisecondes à quelques secondes), tels que des courants de court-circuit.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Connecteur électrique destiné à raccorder deux organes électriquement conducteurs susceptibles d'être parcourus par des courants d'intensité très élevée et de brève durée, notamment par des courants de court-circuit, comportant - un premier élément (A) de connecteur qui est muni

d'au moins un alésage (2) parallèle à son axe et

formant douille, et - un second élément (B) de connecteur, accouplable

mécaniquement avec le précédent, qui est muni d'au

moins un doigt formant broche (1) apte à être abrité

dans le susdit alésage lorque les deux éléments de

connecteur sont accouplés l'un à l'autre, caractérisé par la combinaison des dispositions qui suivent - le contact entre les organes coopérants (douille et

broche) est assuré par au moins un contact annulaire

en forme de bracelet (4) porté par l'un de ces orga

nes, ce bracelet étant constitué par un ruban en un

matériau électriquement conducteur élastiquement

déformable ayant une conformation approximativement

en grecque ou une conformation analogue lui conférant

une élasticité radiale, ce bracelet étant cintré

transversalement pour être en appui par ses bords

longitudinaux (en 7) sur son organe de support et

centralement (en 8) sur l'autre organe, - la surface du ruban est constituée en un métal, tel

que l'or, électriquement bon conducteur et relative

ment mou et apte à s'écraser sensiblement dans ses

zones de contact avec les deux organes pour ainsi

accroître la surface de contact offerte au passage du

courant, - le diamètre de la broche ainsi que l'épaisseur de la

paroi de la douille sont déterminés en proportion de

la racine carrée du temps de passage du courant, et - les points d'appui (7,8) circonférentiellement consé

cutifs du bracelet avec l'un et l'autre des susdits

organes sont aussi nombreux, et donc aussi rapprochés

les uns des autres que possible, et leur espacement

est sensiblement constant, ce grâce à quoi ce connecteur est susceptible d'être parcouru par des courants d'intensité très élevée, tels que des courants de court-circuit, sans qu'il en résulte une fusion du métal et une soudure subséquente entre deux zones de contact appartenant respectivement aux deux éléments de connecteur accouplés.

2. Connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écart entre deux points d'appui (7, 8) consécutifs du bracelet avec l'un et l'autre des susdits organes est supérieur à la somme des distances de pénétration de la chaleur générée en ces deux points d'appui consécutifs pendant la durée de passage du courant.

3. Connecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche de métal surfacique a une épaisseur d'au moins 1,3 pm.

4. Connecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ruban constituant le bracelet est un bronze au beryllium revêtu d'une couche de nickel servant de base pour un revêtement surfacique en or.

5. Connecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour former le bracelet, les deux extrémités libres du ruban sont soudées par points l'une à l'autre avant réalisation des traitements de surface.

6. Connecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que au moins la partie du premier élément de connecteur formant douille et au moins la partie du second élément de connecteur formant broche sont constituées sous forme de pièces massives en un matériau thermiquement et électriquement bon conducteur.

7. Connecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les pièces massives précitées sont constituées en cuivre revêtu d'une couche d'or.

8. Connecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la surface de l'organe opposée au bracelet est lisse et ne présente aucun relief sensible, notamment résultant de l'usinage.

9. Connecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le bracelet (4) présente des pattes rabattues (10) réparties circonférentiellement le long d'un de ses bords et en ce que l'organe de support dudit bracelet présente une gorge annulaire (9) apte à recevoir lesdites pattes en vue d'une retenue axiale du bracelet.