FR3028349A1

FR3028349A1 - Actionneur electromagnetique et disjoncteur comprenant un tel actionneur

Info

Publication number: FR3028349A1
Application number: FR1460896A
Authority: FR
Inventors: Philippe Schuster
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-13
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: EP3218915B1; US10283301B2; US20170263404A1; EP3218915A1; WO2016075118A1; FR3028349B1

Abstract

Actionneur électromagnétique (2), comprenant une carcasse magnétique (20), une bobine (22) solidaire de la carcasse et susceptible d'être reliée à un circuit électrique, un noyau magnétique (26) agencé dans la bobine et mobile, selon un axe central (X2) défini par la bobine, en fonction de l'intensité du courant circulant dans la bobine, et un dispositif de shunt (28) comprenant un matériau magnétocalorique (29) dont la magnétisation est fonction de la température. Le dispositif de shunt est agencé dans la bobine pour une longueur (L), selon l'axe central, de manière à former un entrefer (E) entre le dispositif de shunt et le noyau magnétique. L'actionneur comprend en outre des moyens (31) de fixation du dispositif de shunt à la carcasse, conçus pour régler cette longueur.

Description

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE ET DISJONCTEUR COMPRENANT UN TEL ACTIONNEUR L'invention concerne un actionneur électromagnétique, ainsi qu'un disjoncteur comprenant un tel actionneur. Dans le domaine de protection des circuits électriques, il est connu d'utiliser un disjoncteur incluant un actionneur thermique pour détecter un courant de surcharge ou incluant un actionneur magnétique afin de reconnaître un courant de court-circuit. A titre d'exemple, on peut citer le document FR-A-2 772 981 où le disjoncteur est équipé d'un actionneur thermique. En particulier, l'actionneur comprend un bilame droit et un électroaimant à noyau plongeur Il est également connu de combiner en un seul actionneur les deux fonctions thermiques et magnétiques, de façon à combiner dans un seul disjoncteur la détection des courants de surcharge et de court-circuit. A ce titre, il est connu, par exemple de EP- A-1 001 444, d'équiper un actionneur d'un bilame cloquant. Il est également connu, par exemple de US-A-2 690 528, d'équiper un actionneur avec un système à dashspots qui fonctionne de manière différente lors d'un courant de surcharge ou de court-circuit. Les actionneurs cités ci-dessus ont l'avantage de réduire l'encombrement et le nombre de pièces. Toutefois, la dynamique d'ouverture des contacts de tels actionneurs ne permet pas de percuter les contacts. Il en découle que la vitesse d'ouverture est relativement basse par rapport au pouvoir de coupure nécessaire. Par ailleurs, il est connu, de WO-A-2014/087073, d'utiliser un actionneur équipé d'un dispositif de shunt qui inclut un matériau magnétocalorique et un noyau plongeur. Un tel actionneur permet d'augmenter la vitesse d'ouverture des contacts par la percussion ou l'extraction de ceux-ci. Par contre, la structure de cet actionneur fixe les seuils de déclenchement pour la protection du circuit. Les seuils ne sont pas adaptables aux différents circuits électriques, ce qui limite les domaines d'utilisation d'un tel dispositif. C'est à cet inconvénient qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un nouvel actionneur électromagnétique dont les seuils de déclenchement sont réglables, par exemple en fonction du contexte d'utilisation. Dans cet esprit, l'invention concerne un actionneur électromagnétique, comprenant une carcasse magnétique et une bobine solidaire de la carcasse et susceptible d'être reliée à un circuit électrique. L'actionneur comprend également un noyau magnétique, agencé dans la bobine et mobile, selon un axe central défini par la bobine, en fonction de l'intensité du courant circulant dans la bobine, et un dispositif de shunt comprenant un matériau magnétocalorique dont la magnétisation est fonction de la température. Conformément à l'invention, le dispositif de shunt est agencé dans la bobine pour une longueur, selon l'axe central, et de manière à former un entrefer entre le dispositif de shunt et le noyau magnétique. De plus, l'actionneur comprend des moyens de fixation du dispositif de shunt à la carcasse, conçus pour régler cette longueur. Grâce à l'invention, l'actionneur cumule les avantages des fonctions thermique et magnétique avec ceux d'un actionneur avec seuils réglables. En d'autres termes, un tel actionneur comporte une réduction de l'encombrement et du nombre de pièces, ainsi qu'une diminution de la dissipation thermique et du nombre de variantes à considérer. De plus, l'actionneur permet d'améliorer notamment sa sensibilité et son rendement thermique, ainsi qu'il permet d'augmenter ou de diminuer sa sensibilité aux courants harmoniques en fonction du domaine d'utilisation. Enfin, un tel actionneur présente aussi des avantages économiques, c'est-à-dire une diminution de la quantité de matériaux actifs nécessaires et une réalisation plus aisée de l'actionneur.

Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel actionneur électromagnétique peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises selon toute combinaison techniquement admissible : - L'actionneur comprend en outre un fourreau thermo-conducteur disposé dans la bobine et en ce que le noyau magnétique et le dispositif de shunt sont agencés dans le fourreau. - Le dispositif de shunt est en contact avec le fourreau thermo-conducteur. - Un ressort est interposé entre le dispositif de shunt et le noyau magnétique. - Le dispositif de shunt est pourvu d'une pièce polaire agencée entre le ressort et une partie du dispositif de shunt, constituée par le matériau magnétocalorique. - Le fourreau thermo-conducteur est à paroi pleine. - Le fourreau thermo-conducteur inclut une fente qui s'étend parallèlement à son axe central. - Les moyens de fixation comprennent une soudure laser ou un dispositif de verrouillage mécanique. - Le matériau magnétocalorique est un alliage de nickel, cobalt, manganèse et d'un quatrième élément choisi parmi aluminium, indium, antimoine et étain. L'invention concerne également un disjoncteur comprenant un boîtier logeant un actionneur tel que décrit ci-dessus, la bobine étant couplée à une ligne de courant. Le disjoncteur comprend également une paire de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre, un premier des contacts étant en liaison mécanique avec le noyau mobile de l'actionneur.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un actionneur conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un fourreau thermo-conducteur de l'actionneur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique d'un disjoncteur conforme à l'invention, comprenant un actionneur conforme à l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique de l'actionneur de la figure 1 lorsqu'un courant nominal alimente la bobine, laquelle est omise pour la clarté du dessin ; - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 lorsqu'un courant de surcharge alimente la bobine ; - la figure 6 est une vue analogue à la figure 4 lorsqu'un courant de court-circuit alimente la bobine ; - la figure 7 est une vue analogue à la figure 2 selon une variante de réalisation de l'invention ; et - la figure 8 est un diagramme représentant la magnétisation d'un dispositif de shunt conforme à l'invention en fonction de sa température et du champ magnétique. Sur la figure 1 est représenté un actionneur électromagnétique 2 comprenant une carcasse magnétique 20 qui définit un axe central X2 de l'actionneur. L'axe central X2 est fixe et constitue un axe central pour tous les éléments de l'actionneur 2. La carcasse magnétique 20 est, par exemple, de forme tubulaire et dispose de deux bases 20A et 20B axialement opposées. Dans chacune de ces bases 20A et 20B, est ménagé un alésage, respectivement 21A et 21B. Les alésages 21A et 21B permettent d'accéder à un volume 200 interne à la carcasse 20. L'actionneur 2 comprend également une bobine 22, agencée dans le volume 200 de la carcasse 20 et solidaire de la carcasse 20. La bobine 22 est apte à être reliée, de façon connue en soi, à un circuit électrique qui n'est pas représenté sur la figure 1. L'actionneur 2 comprend en outre un fourreau thermo-conducteur 24. Comme montré à la figure 2, le fourreau 24 présente une forme cylindrique creuse à paroi pleine. Le fourreau 24 est disposé dans la bobine 22 et en contact radialement, selon l'axe X2, avec celle-ci. Du côté de la base 20A, le fourreau 24 traverse l'alésage 21A. Une partie terminale du fourreau 24 est en saillie par rapport à la base 20A et en dehors de la carcasse 20.

La fonction principale du fourreau est de transmettre la chaleur. Il est ainsi en métal. L'actionneur 2 comprend également un noyau magnétique 26 de forme cylindrique, agencé dans le fourreau 24 et mobile en translation selon l'axe central X2 en fonction de l'intensité du courant circulant dans la bobine 22. L'actionneur 2 comprend en outre un dispositif de shunt 28 comprenant un matériau magnétocalorique 29, sous forme d'une pièce correspondante, dont la magnétisation est fonction de la température. Le dispositif de shunt 28 est de forme cylindrique et est agencé partiellement dans le fourreau 24 pour une longueur L, selon l'axe central X2, en formant selon l'axe X2 un entrefer E entre le dispositif de shunt 28 et le noyau 26. Par conséquent, le dispositif de shunt 28 est agencé en partie dans l'alésage 21B de la carcasse 20, la portion restante étant positionnée en dehors de la carcasse 20 en saillie par rapport à la base 20B. Le dispositif de shunt 28 est en outre en contact avec le fourreau thermo-conducteur 24.

En pratique, dans un état préalable à l'utilisation, typiquement lors de la fabrication de l'actionneur 2, le dispositif de shunt 28 est mobile en translation selon l'axe X2 par rapport au fourreau 24 et à la carcasse 20. Ainsi, il est possible de choisir la valeur de la longueur L et, comme décrit ci-dessous, un seuil de commutation de l'actionneur 2 du fait de la variation correspondante de l'entrefer E. L'actionneur comprend également des moyens 31 de fixation du dispositif de shunt 28 à la carcasse 20, les moyens de fixation 31 étant conçus pour régler cette longueur L. En particulier, les moyens de fixation 31 sont réalisés par une soudure laser ou par un dispositif de verrouillage mécanique. Le matériau magnétocalorique 29 du dispositif de shunt 28 est un alliage de nickel, cobalt, manganèse et d'un quatrième élément choisi parmi l'aluminium, l'indium, l'antimoine et l'étain. Le matériau 29 de shunt est choisi pour ses propriétés magnétocaloriques. Plus précisément, comme représenté à la figure 8, le matériau magnétocalorique 29 est tel que sa magnétisation présente un pic en fonction de la température T. Notamment, à basse température, le matériau est peu, voire pas, magnétique. Lorsque la température T augmente, au-delà d'une première température TO, la magnétisation du matériau magnétocalorique 29 augmente rapidement, pour atteindre un maximum à une seconde température 11, au-delà de laquelle la magnétisation diminue jusqu'à s'annuler pour la température de Curie Tc du matériau magnétocalorique 29. Pour plus d'explications, le lecteur se reportera à WO-A2014/087073.

Dans un mode préférentiel de réalisation de l'invention, le dispositif de shunt 28 est pourvu d'une pièce polaire 30 agencée dans le fourreau 24 et disposée entre la pièce constituée par le matériau magnétocalorique 29 du dispositif de shunt 28 et le noyau 26, l'entrefer E étant ainsi délimité entre cette pièce polaire 30 et le noyau magnétique 26.

Comme représenté à la figure 1, la pièce polaire 30 est en appui, selon l'axe X2, contre le matériau magnétocalorique 29 du dispositif de shunt 28. Enfin, l'actionneur 2 comprend un ressort 32 disposé, selon l'axe X2, entre la pièce polaire 30 et le noyau magnétique 26. A la figure 3, un disjoncteur 4 comprend un boîtier 40 qui loge l'actionneur 2. Dans le disjoncteur 4, la bobine 22 de l'actionneur 2 est reliée à une ligne de courant 41 d'un circuit électrique. La ligne de courant 41 dispose de deux premières pastilles 42 fixes. Le disjoncteur 4 comprend également un pont 44 solidaire du noyau magnétique 26 de l'actionneur 2 et équipé de deux deuxièmes pastilles 46. Le pont 44 est, par voie de conséquence, mobile en translation selon l'axe X2 de l'actionneur 2 avec le noyau 26 et est apte à se déplacer entre une première position, montrée à la figue 3, où les deuxièmes pastilles 46 sont en contact avec les premières pastilles 42 et une deuxième position où les deuxièmes pastilles 46 sont écartées des premières pastilles 42. La première position correspond à la configuration fermée du disjoncteur 4 tandis que la deuxième position correspond à la configuration ouverte du disjoncteur 4.

Le fonctionnement de l'actionneur électromagnétique 2 et du disjoncteur 4 est le suivant. Avant l'installation de l'actionneur 2 dans le disjoncteur 4, en particulier lors de la fabrication de l'actionneur, le dispositif de shunt 28 est introduit dans le fourreau thermoconducteur 24 pour la longueur L puis est fixé à la carcasse 20 par les moyens de fixation 31 précités. Cette longueur L est choisie en fonction du domaine d'utilisation du disjoncteur 4. En effet, comme est expliqué ci-dessous, la longueur L permet de choisir le seuil de commutation de l'actionneur 2 et donc le seuil de déclenchement du disjoncteur 4. En configuration assemblée et fermée du disjoncteur 4, comme représenté à la figure 3, le ressort 32 exerce contre le noyau 26 un effort E32, montré sur la figure 1, de manière à tirer les pastilles mobiles 46 du pont 44 pour les écarter des pastilles fixes 42 et assurer l'ouverture du circuit électrique. Dans une condition d'utilisation normale, telle que représentée à la figure 4, un courant dit nominal circule dans le circuit auquel est reliée la bobine 22. De façon connue en soi, la bobine 22 crée alors un flux magnétique Fn.

L'actionneur 2 est ainsi configuré pour constituer un circuit magnétique. En particulier, le circuit magnétique est composé par les pièces 30, 28, 20, 24, 26 et l'entrefer E entre le noyau 26 et la pièce polaire 30 du dispositif de shunt 28. Dans le circuit magnétique, la pièce polaire 30 a la fonction, d'une part, de canaliser le flux magnétique Fn entre le noyau mobile 26 et le matériau magnétocalorique 29 et, d'autre part, de protéger ce dernier des chocs lors de la fermeture de l'entrefer E. Toutes les pièces précitées ont une reluctance magnétique fixe à l'exclusion du dispositif de shunt 28. Dans l'intervalle de température où la magnétisation du dispositif 28 augmente, sa reluctance diminue en facilitant le passage du flux magnétique.

Le noyau magnétique 26 traversé le long de l'axe central X2 par le flux magnétique Fn est sujet à un effort magnétique En, dépendant du flux magnétique Fn et, de façon connue en soi, en étroite corrélation avec le courant circulant dans la bobine 22. Le noyau magnétique 26 exerce ainsi son effort En contre le ressort 32. La bobine 22 génère une dissipation thermique, notamment par effet Joule. Le fourreau 24 se charge de transmettre cette chaleur dissipée aux autres pièces de l'actionneur et en particulier au dispositif de shunt 28 dont la magnétisation dépend de sa température. De plus, le fourreau 24 est responsable lui-même d'une dissipation thermique due à des courants qui circulent dans ses surfaces et qui sont induits par le flux magnétique Fn.

Dans une condition d'utilisation normale, la dissipation thermique globale due au courant nominal induit une augmentation de la température T qui toutefois reste inférieure à la première température TO précitée. La magnétisation du dispositif de shunt 28 reste nulle ou très basse. Ainsi, lors d'un courant nominal, l'effort En est inférieur ou égal à l'effort E32 du ressort 32, de façon que le noyau magnétique 26 ne se déplace pas et la configuration fermée du disjoncteur 4 est maintenue. Lorsqu'un courant de surcharge circule dans le circuit électrique, comme représenté à la figure 5, un flux magnétique Fs entoure la bobine 22, comme décrit ci-dessus. On considère, par exemple, le courant circulant comme ayant une valeur supérieure ou égale à 1,5 fois la valeur du courant nominal. Ainsi, le flux magnétique Fs généré par tel courant de surcharge est strictement supérieur au flux magnétique Fn généré par le courant nominal. De plus, ce courant de surcharge provoque une augmentation de la dissipation thermique par effet Joule de la bobine 22. Une telle dissipation thermique est transmise via le fourreau thermo-conducteur 24 au dispositif de shunt 28. Le dispositif de shunt 28 est donc porté à augmenter de température et à acquérir une température T comprise entre les première et seconde températures précitées. Cette température permet ainsi une magnétisation plus importante du dispositif de shunt 28 et donc une diminution de sa reluctance magnétique. En pratique, le circuit magnétique pour le courant de surcharge présente une reluctance magnétique globale inférieure à celle dans le cas du courant nominal. Le flux magnétique Fs exerce alors sur le noyau magnétique 26 un effort Es. Le noyau 26 comprime le ressort 32 lequel oppose son effort E32. Dans ce cas, l'effort Es est supérieur à l'effort E32 du ressort et le noyau 26 est mis en translation selon l'axe X2 et réduit l'entrefer E. Au niveau du disjoncteur 4, le déplacement du noyau 26 entraîne le pont mobile 44 et ses pastilles 46, en les écartant des pastilles fixes 42. Le disjoncteur 4 se trouve alors dans sa configuration ouverte.

La transmission de chaleur dépend notamment du temps. L'augmentation de température n'est pas instantanée mais survient progressivement. En d'autres termes, la magnétisation du dispositif 28 augmente dans le temps avec la température. L'effort Es exercé par le noyau 26 sur le ressort 32 augmente lui aussi progressivement dans le temps parallèlement à l'augmentation de la température du dispositif de shunt 28. On peut considérer une température de seuil au-delà de laquelle l'effort Es est supérieure à l'effort E32 du ressort 32. Le déplacement du noyau 26 et l'ouverture des pastilles 42 et 46 du disjoncteur 4 sera possible lorsque la température T du dispositif 28 dépasse la température de seuil. Lorsqu'un courant de court-circuit circule dans le circuit électrique, comme représenté à la figure 6, un flux magnétique Fc est généré. En considérant, par exemple, le courant de court-circuit comme supérieur ou égal à cinq fois le courant nominal, le flux magnétique Fc est notablement supérieur au flux magnétique Fn. En d'autres termes, le courant de court-circuit provoque une forte augmentation de la magnétisation du dispositif de shunt 28 quelle que soit sa température et le flux magnétique Fc exerce sur le noyau 26 un effort Ec qui est immédiatement supérieur à l'effort E32 du ressort 32. Dans ce cas, le flux magnétique Fc est capable de déplacer le noyau 26 sans attendre la transmission de chaleur entre la bobine 22 et le dispositif de shunt 28. Par voie de conséquence, le courant de court-circuit provoque presque instantanément un déplacement du noyau 26 le long de l'axe X2 de façon à réduire l'entrefer E et comprimer le ressort 32 et, au niveau du disjoncteur 4, ouvrir les pastilles 42 et 46. Dans le cas où l'actionneur 2 intervient pour ouvrir les pastilles 42 et 46 lorsqu'un courant de court-circuit circule dans le circuit électrique, l'effort magnétique généré par la bobine 22 est tel qu'il provoque l'ouverture de manière très rapide : cela entraine une limitation du courant de court-circuit.

La reluctance du dispositif de shunt 28, et donc de tout le circuit magnétique, est fonction de la longueur L du dispositif 28 par rapport au fourreau 24. La longueur L joue un rôle important dans le fonctionnement du disjoncteur 4. Cette longueur L définit la partie du dispositif de shunt 28 qui fait partie du circuit magnétique. La longueur L définit ainsi la partie du dispositif de shunt 28 qui est en contact avec le fourreau 24 et donc exposée de manière directe à la transmission de chaleur. En considérant comme fixe la position du noyau 26, lorsque la longueur L est réduite, l'entrefer E augmente et par conséquent la reluctance globale du circuit magnétique augmente. Afin que l'effort du noyau 26 soit supérieur à l'effort E32 du ressort 32, il faudra atteindre un degré de magnétisation du dispositif 28 supérieur, c'est-à-dire une température de seuil supérieure. En d'autres termes, en réduisant la longueur L, il est possible de retarder le seuil de déclenchement du disjoncteur 4. Au contraire, en augmentant la longueur L, l'entrefer E se réduit, ainsi que la reluctance globale du circuit magnétique. La température de seuil est alors inferieure. En d'autres termes, en augmentant la longueur L, il est possible d'avancer le seuil de déclenchement du disjoncteur 4. Divers aménagements et variantes de l'actionneur 2 sont par ailleurs envisageables. A titre d'exemples : - la pièce polaire 30 est de forme cylindrique creuse incluant donc un alésage dans lequel est agencé partiellement le ressort 32 qui donc prend appui contre le matériau magnétocalorique 29 du dispositif de shunt 28 et le noyau magnétique 26 - le fourreau thermo-conducteur 24 inclut une fente 240, comme représentée à la figure 7, qui s'étend parallèlement à l'axe central X2. La fente 240 réalise une coupure pour les courants générés par induction électromagnétique dans le fourreau 24. La présence de la fente 240 permet donc de retarder le seuil de déclenchement. Le choix d'utiliser ou non un fourreau 24 avec la fente 240 est donc en fonction du domaine d'utilisation du disjoncteur 4. Le mode de réalisation et les variantes envisagés ci-dessus peuvent être combinés entre eux pour générer de nouveaux modes de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS1.- Actionneur électromagnétique (2), comprenant une carcasse magnétique (20), une bobine (22) solidaire de la carcasse et susceptible d'être reliée à un circuit électrique, un noyau magnétique (26) agencé dans la bobine et mobile, selon un axe central (X2) défini par la bobine, en fonction de l'intensité du courant circulant dans la bobine, et un dispositif de shunt (28) comprenant un matériau magnétocalorique (29) dont la magnétisation est fonction de la température, l'actionneur étant caractérisé en ce que le dispositif de shunt (28) est agencé dans la bobine (22) pour une longueur (L), selon l'axe central (X2), de manière à former un entrefer (E) entre le dispositif de shunt et le noyau magnétique (26), l'actionneur comprenant en outre des moyens (31) de fixation du dispositif de shunt à la carcasse (20), conçus pour régler cette longueur (L).
2.- Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur (2) comprend en outre un fourreau thermo-conducteur (24) disposé dans la bobine (22) et en ce que le noyau magnétique (26) et le dispositif de shunt (28) sont agencés dans le fourreau.
3.- Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de shunt (28) est en contact avec le fourreau thermo-conducteur (24).
4.- Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un ressort (32) est interposé entre le dispositif de shunt (28) et le noyau magnétique (26).
5.- Actionneur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de shunt (28) est pourvu d'une pièce polaire (30) agencée entre le ressort (32) et une partie (29) du dispositif de shunt, constituée par le matériau magnétocalorique.
6.- Actionneur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le fourreau thermo-conducteur (24) est à paroi pleine.
7.- Actionneur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le fourreau thermo-conducteur (24) inclut une fente (240) qui s'étend parallèlement à son axe central (X2).35
8.- Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de fixation (31) comprennent une soudure laser ou un dispositif de verrouillage mécanique.
9.- Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau magnétocalorique est un alliage de nickel, cobalt, manganèse et d'un quatrième élément choisi parmi aluminium, indium, antimoine et étain.
10.- Disjoncteur (4), comprenant un boîtier (40) logeant un actionneur (2) selon l'une des revendications précédentes, la bobine (22) de l'actionneur étant reliée à une ligne (41) de courant, et une paire de contacts (42, 46) mobiles l'un par rapport à l'autre, un premier (46) des contacts étant en liaison mécanique avec le noyau magnétique (26) de l'actionneur.