FR2999014A1

FR2999014A1 - Actionneur a shunt magnetothermique, en particulier pour le declenchement de disjoncteur

Info

Publication number: FR2999014A1
Application number: FR1261532A
Authority: FR
Inventors: Philippe Schuster; Nathalie Caillault
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-06-06
Anticipated expiration: 2032-12-03
Also published as: CN104781902A; EP2926355A1; CN104781902B; US9355803B2; WO2014087073A1; FR2999014B1; EP2926355B1; US20150318135A1

Abstract

Un actionneur électromagnétique (10) est muni d'un système (18) de shunt magnétique saturable. Le shunt (18) est associé à la bobine (14) de l'actionneur (10) et permet de canaliser une part plus ou moins grande du flux (B) en fonction du courant (I) qui circule dans le produit. Ainsi, lorsqu'il est utilisé dans un disjoncteur, l'actionneur (10) permet le déclenchement sur court-circuit tel qu'usuel et le déclenchement sur surcharge par l'action du shunt.

Description

ACTIONNEUR A SHUNT MAGNETOTHERMIQUE, EN PARTICULIER POUR LE DECLENCHEMENT DE DISJONCTEUR DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le déclenchement des appareillages de protection électrique comme les disjoncteurs, notamment dans le domaine de la basse tension. Plus généralement, l'invention se rapporte à un actionneur électromagnétique pouvant être utilisé comme déclencheur unique d'un appareil de coupure. ETAT DE LA TECHNIQUE Un disjoncteur permet de protéger une ligne électrique en coupant le courant en cas de défaut, notamment sur court-circuit, lorsque l'intensité dépasse un seuil élevé, ou en cas de surcharge, lorsque l'intensité reste dans des valeurs proches de l'intensité nominale mais sur une durée trop longue. Pour remplir les deux critères de sécurité, de façon usuelle et tel qu'illustré en figure 1, la plupart des disjoncteurs modulaires basse tension 1 sont munis de deux types de déclencheur reliés à la ligne à protéger : un actionneur électromagnétique 2 sépare des contacts 4, 6 en cas de court-circuit, un déclencheur thermique de type bilame 8 réagit aux surcharges : voir par exemple FR 2 682 533. Suivant la gamme de disjoncteur, l'actionneur électromagnétique 2 peut prendre différentes formes, notamment à noyau plongeur tel que présenté en relation avec la figure 1 ou à palette comme décrit dans FR 2 772 981. La présence de deux éléments distincts 2, 8 permet un réglage séparé des paramètres de déclenchement sur les deux types de défauts. Cette conception bilame/actionneur éprouvée demande cependant un volume suffisant dans le boîtier du disjoncteur 1, et implique un 30 nombre de pièces important à assembler. 2972 Il est parfois envisagé de s'affranchir de l'un des deux éléments, avec par exemple un actionneur magnéto-hydraulique (ou « dashpot » selon la terminologie anglosaxonne) décrit dans US 2 690 528, ou un système à bilame à retournement brusque (dit bilame cloquant, comme décrit dans EP 1 001 444). Outre les inconvénients inhérents à leur conception (difficulté de réglage, respectivement limitation du pouvoir de coupure), ces solutions cependant conservent deux principes de fonctionnement couplés l'un à l'autre. EXPOSE DE L'INVENTION Parmi autres avantages, l'invention vise à pallier des inconvénients des déclencheurs de disjoncteur existant, en proposant notamment un nouveau type d'actionneur électromagnétique permettant d'assurer les déclenchements sur court-circuit et sur surcharge.

Sous un de ses aspects, l'invention se rapporte ainsi à un actionneur électromagnétique qui permet la mobilisation d'un contact qui lui est solidarisé tant lorsque le courant dépasse une valeur nominale sur une durée longue, que lorsque le courant dépasse un seuil ponctuellement.

L'invention concerne notamment un actionneur électromagnétique dans lequel un dispositif de shunt magnétique est mis en place au niveau de la bobine, en série par rapport au cheminement du flux magnétique, ledit dispositif de shunt comprenant un matériau magnétothermique (ou magnétocalorique), c'est-à-dire un matériau dont la magnétisation augmente avec la température au dessus d'une première température supérieure ou égale à 330 K, et notamment présente un pic dont le maximum est supérieur à 40 emu/g, avec augmentation rapide de la magnétisation entre 350 et 420 K sous champ magnétique de 0,2 à 2 T. Le matériau magnétocalorique est en particulier un alliage de nickel et manganèse, de préférence du type NiCoMnX, avec X choisi parmi l'aluminium, l'indium, l'antimoine ou l'étain.

L'actionneur en tant que tel est classique, avec un circuit magnétique comprenant une carcasse magnétique fixe, une bobine susceptible d'être reliée à un circuit électrique à ses 2972 LP-u extrémités, et un élément magnétique mobile par rapport à la carcasse en fonction de l'intensité du courant circulant dans la bobine. Notamment, l'élément magnétique mobile peut être un noyau plongeur qui se déplace au sein de la bobine, le noyau et la bobine étant logés dans la carcasse ; alternativement, l'élément magnétique mobile peut être du type palette, avec une carcasse en forme de U dont l'une des branches au moins est entourée de la bobine, et la palette se déplaçant par rapport aux branches du U pour le fermer. Le dispositif de shunt peut s'étendre le long de l'axe de la bobine, notamment à l'intérieur pour un actionneur à noyau plongeur ; de préférence sous forme de cylindre, il peut être composé entièrement du matériau magnétocalorique ou ses effets peuvent être dimensionnés en adaptant le taux de matériau magnétocalorique en son sein. Les dimensions du cylindre sont elles aussi adaptées à l'effort souhaité pour le dispositif de shunt par rapport au courant circulant dans la bobine.

L'actionneur électromagnétique peut être mis en place dans un appareil de coupure, notamment un disjoncteur modulaire à boîtier moulé, l'un des contacts de l'appareil de coupure étant couplé à l'élément mobile de l'actionneur, pour ouvrir ou fermer la ligne en fonction du courant circulant dans la bobine. En particulier, l'actionneur peut former un dispositif de déclenchement d'un tel appareil de coupure, la bobine étant alors couplée à la ligne que l'appareil de coupure est amené à protéger et l'élément mobile pouvant être couplé à un contact mobile de l'appareil, par exemple de façon rigide. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs, représentés dans les figures annexées. La figure 1, déjà décrite, illustre un disjoncteur basse tension à boîtier moulé dans lequel l'actionneur selon l'invention peut être mis en place. 2972 La figure 2 montre les caractéristiques du matériau qui peut être utilisé dans le shunt d'un actionneur selon l'invention. La figure 3 représente un actionneur selon un mode de réalisation de l'invention, avec illustration des forces d'induction magnétique selon le courant y circulant. La figure 4 montre un autre mode de réalisation d'un disjoncteur selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE L'action du bilame dans un système de déclenchement est remplacée selon l'invention par un système de shunt magnétique saturable, qui est intégré à un actionneur électromagnétique usuel, lequel conserve son rôle de déclenchement sur court-circuit. Le shunt associé à l'actionneur prend ainsi la fonction de déclenchement sur surcharge.

A cette fin, le matériau du shunt est choisi pour ses propriétés magnétothermiques, ou magnétocaloriques. Plus précisément, tel qu'illustré en figure 2, le matériau est tel que son degré de magnétisation M présente un pic en fonction de la température. Notamment, à basse température, le matériau est peu, voire pas, magnétique. Lorsque la température augmente, au-delà d'une première température To, la magnétisation M du matériau augmente rapidement, pour atteindre un maximum à une deuxième température T1, au-delà de laquelle la magnétisation diminue jusqu'à s'annuler pour la température de Curie Tc du matériau. Ces différentes températures To, T1, Tc dépendent elles-mêmes du champ magnétique H appliqué (voir les variations obtenues pour un champ de 0,2 T et un champ de 7 T en figure 2). Pour une utilisation selon l'invention, la première température To est choisie supérieure à 330 K, de préférence proche de 350 K. Ce choix est rendu possible par l'utilisation de matériaux de la famille NiCoMnX, avec X e {Al, In, Sb, Sn}, de préférence aluminium ou étain : pour ces matériaux, la transition est bien marquée avec une température T1 proche de To (écart de 10 à 30 K) et une magnétisation élevée, de l'ordre de 70 emu/g. Notamment, pour Ni40Co10Mn33A117 , on a To = 347 K, Mmax = 90 emu/g. 2972 L'actionneur selon l'invention comprend ainsi un shunt associé à la bobine. Notamment, tel qu'illustré en figures 3, un actionneur 10 selon l'invention comprend un circuit magnétique avec une carcasse magnétique fixe 12 logeant une bobine 14 longitudinale au sein de laquelle peut se déplacer un noyau plongeur magnétique 16. La bobine 14 est reliée à une ligne électrique d'alimentation et, en fonction du courant y circulant, induit un champ magnétique B dans le circuit magnétique qui déplace le noyau 16 le long de l'axe de la bobine 14.

Un dispositif 18 comprenant le matériau magnétocalorique est mis en place autour de la bobine 14, au sein de la carcasse 12, pour former un shunt magnétique dans le circuit magnétique. Le dispositif de shunt 18 forme de préférence un cylindre logé dans la carcasse 12. Le shunt peut être assuré par le dispositif 18 en entier, composé alors dans son ensemble de matériau magnétothermique ; de préférence, le dispositif de shunt 18 est ainsi formé de rondelles empilées, voire de barreaux juxtaposés ou de tôles découpées. Alternativement, le dispositif de shunt 18 peut comprendre un support auquel est associé, ou dans lequel est intégré, une partie de matériau magnétocalorique, ce qui permet une forme simplifiée comme un cylindre ; le dispositif de shunt 18 peut également former une partie de la carcasse 12 à laquelle sont associés, par exemple insérés dans des rainures ou accolés, des éléments en matériau approprié. Tel qu'illustré en figure 3A, lorsque le courant I traversant la bobine 14 est inférieur ou égal au courant nominal 'nom, la température de l'ensemble 10 reste peu élevée, proche de la température ambiante. La température du dispositif de shunt 18 reste inférieure à la première température T0: le shunt est dans son état non magnétique et la réluctance du circuit magnétique est forte, similaire à celle du même actionneur sans dispositif de shunt. L'effort du champ B induit sur le noyau magnétique 16 reste faible et inférieur au seuil de déclenchement : le noyau 16 reste donc dans sa position de repos.

Lorsque le courant I dépasse une valeur de surcharge I, une élévation de la température se produit au sein de la bobine 14. Sous l'effet de cette élévation, la température au niveau du dispositif de shunt 18 augmente pour se situer, au moins transitoirement, dans la plage de 2972 magnétisation, entre To et T1 : le matériau magnétothermique passe dans son état magnétique. Tel qu'illustré en figure 3B, le dispositif de shunt 18 canalise alors le flux induit B et la réluctance du circuit diminue. L'effort sur le noyau mobile 16 augmente progressivement, pour devenir supérieur au seuil de déclenchement : le noyau mobile 16 se déplace, et il peut déverrouiller le mécanisme du disjoncteur 1 pour ouvrir la ligne dans laquelle il est placé. Avantageusement, un contact thermique direct est assuré entre le shunt 18 et la bobine 14. De fait, le shunt en matériau magnétocalorique voit son état magnétique dépendre de la température et du champ magnétique auxquels il est soumis, valeurs qui, quant à elles, dépendent de la valeur du courant I circulant dans le bobinage 14. Le dimensionnement du système 10 permet de positionner la valeur correspondante de courant de surcharge I pour localiser la température induite dans la plage [To, Td de transition de phase non magnétique / magnétique du matériau, et de dimensionner le champ induit par le shunt pour permettre le déplacement du noyau 16 et donc le déclenchement d'un disjoncteur 1 associé à l'actionneur 10. En particulier, il est possible de choisir la quantité de matériau du shunt, notamment via la longueur et la section, voire la composition, du dispositif 18, ainsi que la longueur et la section des spires du bobinage 14.

II est à noter que si le courant I dépasse la valeur du courant de court-circuit I', il provoque une saturation magnétique de l'ensemble du circuit, quel que soit l'état du matériau magnétothermique du shunt 18: suffisamment de flux B passe dans tous les cas par le noyau mobile 16 pour provoquer son déplacement et donc le déclenchement du disjoncteur 1 (figure 3C).

Le dispositif de shunt 18 a donc peu d'influence sur le fonctionnement de l'actionneur 10 en cas de court-circuit. De plus, comme il est positionné dans le flux de fuite du bobinage 14, le shunt 18 a peu d'influence sur l'effort d'attraction du noyau mobile 16 sous courant nominal I'0'. L'actionneur 10 peut donc conserver les dimensions et la conception actuelles selon les paramètres de coupure et fonctionnement demandés pour ses fonctions de coupure sur court-circuit, même si les caractéristiques du système de déclenchement selon l'invention peuvent permettre une optimisation.

2972 Ainsi, un actionneur 10 selon l'invention mis en place dans un appareil de coupure, notamment un disjoncteur 1 BT à boîtier moulé et/ou modulaire tel qu'illustré en figure 1, permet de réaliser les deux fonctions de protection par un seul composant, de manière exclusivement magnétique et sans qu'il soit nécessaire de chauffer un bilame. Du volume est donc libéré par l'absence du bilame, volume qui devient disponible au sein du boîtier pour de nouvelles fonctionnalités. La dissipation thermique globale de l'appareil 1, 10 est également restreinte, ce qui augmente sa fiabilité et son efficacité énergétique. Enfin, la disparition du réglage thermique permet une diminution des coûts industriels, tout comme 10 la réduction du nombre de pièces à assembler. Bien que l'invention ait été décrite en référence à un actionneur électromagnétique 10 à plongeur mobile 16, elle ne s'y limite pas : d'autres éléments peuvent être concernés par la mise en place d'un tel shunt magnétothermique, afin de substituer les déclencheurs 15 magnétique et thermique des disjoncteurs existants. En particulier, l'utilisation d'un système de shunt magnétique saturable, dont le rôle est de canaliser une part plus ou moins grande du flux en fonction du courant qui circule dans le produit, peut être adaptée pour un actionneur électromagnétique à palette, notamment pour utilisation dans un appareil de coupure.

20 Ainsi, tel qu'illustré en figure 4, l'appareil de coupure 1' comprend deux contacts mobiles 4, 6 relativement l'un à l'autre, l'un des deux contacts au moins étant associé à la partie mobile d'un actionneur électromagnétique 20 dont le circuit magnétique comprend : - une carcasse magnétique fixe 22 sensiblement en U; 25 une bobine 24 reliée à la ligne de courant par ses extrémités et encadrant une branche au moins du U magnétique 22: - une palette 26 mobile relativement à la carcasse 22 en fonction du courant circulant dans la bobine 24, entre une position de repos dans laquelle un entrefer existe entre le U 22 et la palette 26, et une position de coupure dans laquelle la palette 26 30 referme ledit U 22; un dispositif de shunt 28 en matériau magnétothermique mis en place au sein de la bobine 24, plus généralement le long de l'axe du bobinage 24. 2972 [Pu Ici encore, le chauffage du shunt 28 est réalisé par contact thermique avec le bobinage 24 parcouru par le courant et/ou par effet Joule en faisant circuler tout ou partie du courant dans le matériau actif. Les deux fonctions du disjoncteur l' sont ainsi assurées par un seul dispositif de déclenchement et actionnement 20, de manière plus efficace du point de vue technique, économique, environnemental et industriel. 2972

Claims

REVENDICATIONS1. Actionneur électromagnétique (10, 20) comprenant un circuit magnétique avec une carcasse magnétique fixe (12, 22), une bobine (14, 24) susceptible d'être reliée à un circuit électrique à ses extrémités, et un élément magnétique mobile (16, 26) par rapport à la carcasse (12, 22) en fonction de l'intensité du courant circulant dans la bobine (14, 24), caractérisé par un dispositif de shunt (18, 28) s'étendant le long de l'axe de la bobine (14, 24), ledit dispositif de shunt (18, 28) comprenant un matériau magnétocalorique dont la magnétisation augmente avec la température au dessus d'une première température (To) supérieure ou égale à 330 K.
2. Actionneur selon la revendication 1 dans lequel le matériau magnétocalorique est un alliage de nickel et manganèse.
3. Actionneur selon la revendication 2 dans lequel le matériau magnétocalorique est du type NiCoMnX, avec X e {Al, In, Sb, Sn}.
4. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la magnétisation du matériau atteint un maximum à une deuxième température (T1) inférieure à 420 K, ledit maximum de magnétisation étant supérieur à 40 emu/g.
5. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel l'élément magnétique mobile est un noyau plongeur (16) logé dans la bobine (14) au sein de laquelle il se déplace, l'ensemble noyau/bobine (14, 16) étant logé dans la carcasse (12).
6. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le dispositif de shunt (18, 28) forme un cylindre autour de la bobine (14, 24).
7. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel l'élément magnétique est une palette (26), la carcasse (22) formant un U dont l'une des branches au moins est entourée par la bobine (24), la palette (26) se déplaçant par rapport à la carcasse (22) pour fermer ledit U. 2972
8. Appareil de coupure (1, 1') comprenant une paire de contacts mobiles (4, 6) l'un par rapport à l'autre et un actionneur (10, 20) selon l'une des revendications 1 à 7, l'un des contacts au moins étant couplé à l'élément mobile (16, 26) dudit actionneur (10, 20).
9. Déclencheur de disjoncteur comprenant un actionneur (10, 20) selon l'une des revendications 1 à 7, l'élément mobile (16, 26) et la bobine (14, 24) dudit actionneur (10, 20) étant adaptés pour être couplés à une ligne de courant à protéger.
10. Disjoncteur modulaire (1) comprenant un boîtier logeant un déclencheur selon la revendication 9 et une paire de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre, un premier contact (4) étant couplé à l'élément mobile (16, 26) de l'actionneur (10, 20). 2972 1,Pu