FR3107395A1 - Chambre de coupure à soufflage magnétique pour un appareil de coupure électrique et appareil de coupure électrique équipé d’une telle chambre - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une chambre de coupure (100) à soufflage magnétique pour un appareil de coupure, ladite chambre comportant une source de champ (2), une carcasse (3) magnétique et une zone de coupure (Z) dans laquelle un arc électrique (E) est susceptible de se former lors l’ouverture d’un pôle de coupure (PC) appartenant audit appareil de coupure, ladite source de champ (2) étant agencée pour générer un champ magnétique (B) destiné à déplacer ledit arc électrique (E) pour l’étirer et accélérer son refroidissement et son extinction, et ladite carcasse (3) étant agencée pour canaliser ledit champ magnétique (B) . Elle est caractérisée en ce que ladite carcasse (3) est adossée à ladite source de champ (2) et se referme devant elle par au moins un rabat pour créer au moins un entrefer (D2) dans le circuit magnétique formé par ladite source de champ (2) et ladite carcasse (3), et ainsi maximiser le champ magnétique (B) qui traverse ladite zone de coupure (Z). Figure pour l’abrégé : Fig 1.
Description
La présente invention concerne une chambre de coupure à soufflage magnétique pour un appareil de coupure électrique, ladite chambre comportant une source de champ magnétique, une carcasse magnétique et une zone de coupure dans laquelle un arc électrique est susceptible de se former lors de la fermeture et/ou de l’ouverture d’un pôle de coupure appartenant à un appareil de coupure, ladite source de champ étant agencée pour générer un champ magnétique destiné à déplacer ledit arc électrique pour l’étirer et accélérer son refroidissement et son extinction, ladite carcasse magnétique étant agencée pour canaliser ledit champ magnétique , ledit pôle de coupure comportant un contact fixe et un contact mobile qui se déplace par rapport audit contact fixe entre une position fermée et une position ouverte sur une trajectoire définissant un plan de coupure, et ladite zone de coupure s’étendant au moins dans ledit plan de coupure.
La présente invention concerne également un appareil de coupure électrique équipé d’une telle chambre de coupure à soufflage magnétique.
Le soufflage magnétique de l’arc électrique est un principe couramment employé dans les technologies de coupure pour gérer l’arc électrique qui naît en particulier lors de l’ouverture d’un organe de coupure dans un circuit électrique, dans le but de réaliser un gain en performance de coupure et de préserver l’intégrité de l’organe de coupure. Le champ magnétique, qui peut être généré par tout type de source de champ magnétique, permet de déplacer l’arc électrique dès sa naissance et de l’étirer rapidement pour accélérer son refroidissement jusqu’à son extinction. Le refroidissement du plasma de l’arc électrique a pour effet d’augmenter son impédance, ce qui permet d’augmenter la tension de l’arc électrique lors de la coupure. La coupure d’un courant continu (DC) implique que l’organe de coupure génère plus de tension que la tension du réseau à couper. C’est la raison pour laquelle le principe de soufflage magnétique s’applique particulièrement bien à la coupure du courant DC. Néanmoins, une forte tension de l’arc électrique est aussi intéressante pour la coupure d’un courant alternatif (AC) puisqu’elle permet une limitation du courant lors de la coupure, ayant pour effet de diminuer les dommages dus à l’arc, voire aussi de diminuer le temps de l’arc électrique par un effet limiteur. Par conséquent, ce principe de soufflage magnétique de l’arc est tout aussi intéressant pour des courants DC que des courants AC.
La publication FR 3003101 A1 de la demanderesse propose un principe de soufflage magnétique non polarisé, qui a l’avantage de fonctionner indépendamment du sens du courant dans l’organe de coupure. La chambre de coupure comporte un aimant permanent produisant un champ magnétique orienté dans le plan de déplacement des contacts mobiles par rapport aux contacts fixes. La symétrie de la chambre de coupure par rapport à ce plan permet de garantir la non-polarisation de ce principe de coupure. Dans cette publication, des principes de canalisation du champ magnétique ont déjà été proposés sous la forme d’une plaque ferromagnétique plane située à l’arrière de l’aimant permanent ou d’une plaque ferromagnétique en forme de U qui englobe l’arrière et les deux côtés de l’aimant. Le fait de canaliser le champ magnétique dans la zone de coupure permet de diminuer la taille de l’aimant permanent. Toutefois, la canalisation de champ obtenue n’est pas optimale.
La publication EP 3242306 A1 tente de répondre à ce manque en proposant un autre principe de soufflage magnétique, dans lequel l’aimant permanent est polarisé et ses pôles Nord et Sud sont couplés respectivement à deux plaques ferromagnétiques, qui s’étendent parallèlement de part et d’autre de la zone de coupure et en direction d’une chambre d’extinction de l’arc. Cette solution impose de polariser l’aimant en fonction du sens du courant dans l’organe de coupure. En outre, la longueur de l’entrefer est importante car elle est fonction de l’encombrement de l’organe de coupure et de la longueur de l’aimant. De fait, la canalisation du champ magnétique n’est pas réalisée de manière optimale, car l’entrefer engendre une reluctance magnétique importante dans le circuit magnétique qui nuit à l’efficacité du soufflage, ce qui peut expliquer la présence de la chambre d’extinction de l’arc. En effet, un circuit magnétique excité par un aimant qui comporte un entrefer important ne générera pas une forte valeur de champ magnétique. Or, c’est bien la valeur de ce champ qui engendre la force de déplacement sur l’arc électrique, appelée force de Laplace (F=I^B).
Par ailleurs, le champ magnétique qui génère le soufflage magnétique est souvent réalisé par des aimants permanents de type Néodyme Fer Bore. Ces aimants ont l’avantage de générer un fort champ magnétique dans leur environnement proche, typiquement de l’ordre de 0.2T. Toutefois, ils sont onéreux et sujets aux variations du prix des terres rares qui les constituent.
Il existe par conséquent un besoin de chambres de coupure à soufflage magnétique de performance équivalente voire supérieure aux chambres de coupure de l’état de la technique, permettant d’utiliser soit une quantité moindre d’aimant de haute qualité de type Néodyme Fer Bore, soit des aimants de moindre qualité mais aussi de moindre coût, tels que par exemple des aimants de type ferrite ou similaires.
La présente invention vise à répondre à cette demande en proposant une nouvelle architecture de chambre de coupure à soufflage magnétique permettant de maximiser le champ magnétique, donc le soufflage magnétique de l’arc électrique dans la zone de coupure, pour augmenter les performances de coupure, tout en permettant de jouer sur le coût, le volume et/ou la nature de la source de champ utilisée.
Dans ce but, l'invention concerne une chambre de coupure à soufflage magnétique du genre indiqué en préambule, caractérisée en ce que ladite source de champ est disposée dans l’environnement proche et en regard de ladite zone de coupure, et est orientée pour générer des vecteurs de champ magnétique essentiellement parallèles audit plan de coupure, en ce que ladite carcasse entoure au moins en partie ladite zone de coupure et ladite source de champ, et comporte au moins une fenêtre ouverte vers l’extérieur pour permettre le passage dudit contact mobile, et en ce que ladite carcasse est adossée à ladite source de champ et se referme devant elle par au moins un rabat pour créer au moins un entrefer dans le circuit magnétique formé par ladite source de champ et ladite carcasse, et ainsi maximiser le champ magnétique qui traverse ladite zone de coupure.
On choisira de préférence un entrefer le plus petit possible, car pour une même source de champ, plus l’entrefer est réduit et plus l’excitation magnétique est grande.
En fonction des variantes de réalisation, ladite carcasse peut comporter une paroi périphérique ouverte délimitant ladite fenêtre qui s’étend parallèlement à ladite zone de coupure, ou une paroi périphérique fermée et une ouverture à l’une au moins des extrémités transversales de ladite paroi périphérique délimitant ladite fenêtre qui s’étend dans ce cas perpendiculairement à ladite zone de coupure.
Ladite chambre de coupure peut également s’étendre sur une longueur supérieure à la longueur de ladite zone de coupure dans ledit plan de coupure. Dans ce cas, ladite carcasse comporte avantageusement une paroi périphérique en partie ouverte et en partie fermée, la partie ouverte délimitant ladite fenêtre qui s’étend parallèlement à ladite zone de coupure, et la partie fermée prolongeant ladite partie ouverte et délimitant une cheminée de soufflage pour l’extension de l’arc électrique.
Ladite carcasse peut comporter en outre au moins une paroi transversale fermant au moins une des extrémités transversales de ladite paroi périphérique.
La paroi périphérique de ladite carcasse peut présenter une section transversale de forme choisie dans le groupe comportant une forme courbe, une forme polygonale, une forme complexe, une forme combinant des sections droites et des sections courbes, et dans le cas d’une forme polygonale, elle peut être choisie dans le groupe comprenant un rectangle, un trapèze isocèle, une forme en C dont les extrémités forment des rabats orientés vers l’extérieur ou vers l’intérieur de ladite zone de coupure.
En fonction des besoins, ladite source de champ peut être choisie dans le groupe comprenant un ou plusieurs aimants permanents, et une ou plusieurs bobines.
Dans une forme préférée de l’invention, la chambre de coupure à soufflage magnétique comporte une enveloppe isolante intérieure s’étendant à l’intérieur et autour de ladite zone de coupure pour l’isoler électriquement de ladite source de champ et de ladite carcasse. Elle peut également comporter une enveloppe isolante extérieure s’étendant à l’extérieur et autour de ladite carcasse.
Avantageusement, ladite carcasse s’étend sur une dimension transversale, perpendiculaire au plan de coupure, pour scinder ladite zone de coupure en au moins une zone d’apparition dans laquelle l’arc électrique nait et une zone d’extinction dans laquelle l’arc électrique s’éteint. Cette dimension transversale peut être au moins égale à X fois la dimension transversale de ladite zone d’apparition, X pouvant être compris entre 2 et 10.
Dans ce but, l'invention concerne également un appareil de coupure électrique du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu’il comporte une chambre de coupure à soufflage magnétique telle que définie ci-dessus.
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:
Dans les différents exemples de réalisation illustrés, les éléments ou parties identiques portent les mêmes numéros de référence. Par ailleurs, les positions géométriques indiquées dans la description et les revendications, telles que « perpendiculaire », « parallèle », « symétrique » ne sont pas limitées au sens strict défini en géométrie, mais s’étendent à des positions géométriques qui sont proches, c’est-à-dire qui acceptent une certaine tolérance dans le domaine technique considéré, sans influence sur le résultat obtenu. Cette tolérance est notamment introduite par l’adverbe « sensiblement », sans que ce terme soit nécessairement répété devant chaque adjectif. De même, les indications spatiales indiquées dans la description et les revendications, telles que «longitudinal», «transversal», «profondeur», «supérieur», «inférieur», etc. se basent sur les figures et ne sont pas limitées aux exemples illustrés.
En référence aux figures, la chambre de coupure à soufflage magnétique selon l’invention, appelée par la suite «chambre de coupure 100, 110, 120, 130 » est destinée à équiper des appareils de coupure électrique 200, 300 qui s’adressent à tout type d’applications industrielles, tertiaires et domestiques, alimentées aussi bien en courant continu qu’en courant alternatif, et ce quelle que soit la tension nominale d’alimentation. Cette chambre de coupure 100, 110, 120, 130 peut avantageusement remplacer ou compléter les chambres de fractionnement traditionnellement connues en fonction des performances de coupure recherchées. Les appareils de coupure électrique 200, 300 concernés peuvent indifféremment être un interrupteur, un contacteur, un commutateur, un commutateur-inverseur, un disjoncteur, ou tout autre appareil de coupure similaire étant donné que la chambre de coupure 100, 110, 120, 130 qui fait l’objet de la présente invention, peut être compatible ou adaptée à tout type d’architectures d’appareils de coupure. De même, ces appareils de coupure électrique 200, 300 peuvent comporter un ou plusieurs pôles de coupure PC, et chaque pôle de coupure PC peut être un pôle de coupure simple avec un seul contact fixe CF coopérant avec un seul contact mobile CM, ou un pôle de coupure double avec deux contacts fixes CF coopérant avec deux contacts mobiles CM, tel que représenté dans les figures 18 et 21. Dans tous les cas, les contacts mobiles CM sont agencés pour être déplacés par rapport aux contacts fixes CF et la trajectoire dans laquelle les contacts mobiles se déplacent défini un plan de coupure P, que ce déplacement soit une translation (représentée par la flèche T) ou une rotation (non représentée). Il existe en outre plusieurs types d’architecture de pôles de coupure PC selon qu’ils comportent des contacts à pression conformément aux figures 1 à 3, 13 à 16 et 18, des contacts à glissement conformément aux figures 19 à 21, des contacts à pression avec commande à came, et tout autre type de contacts électriques.
La chambre de coupure 100 selon une première forme de réalisation de l’invention illustrée dans les figures 1 à 6 est sensiblement rectangulaire et agencée pour délimiter une zone de coupure Z dans laquelle un arc électrique E est susceptible de se former, en particulier lors de l’ouverture d’un pôle de coupure PC appartenant à un appareil de coupure électrique, et d’être éteint le plus rapidement possible. Elle comporte à cet effet une source de champ 2 agencée pour générer un champ magnétique B destiné à déplacer ledit arc électrique E pour l’étirer et accélérer son refroidissement et son extinction, une carcasse 3 magnétique agencée pour canaliser le champ magnétique B de manière générale et plus particulièrement dans la zone de coupure Z, et une enveloppe isolante intérieure 4 agencée pour isoler électriquement la zone de coupure Z et par conséquent l’arc électrique E de la source de champ 2 et de la carcasse 3. Cette enveloppe isolante intérieure 4 peut être réalisée par toute matière électriquement isolante, voire également gazogène, ayant également pour effet d’absorber l’énergie thermique de l’arc électrique E, favorisant son refroidissement et par voie de conséquence son extinction.
Le pôle de coupure PC est représenté dans les figures par un contact fixe CF disposé à l’intérieur de la chambre de coupure 100 et un contact mobile CM disposé en partie à l’intérieur de la chambre de coupure 100 en face du contact fixe CF et en partie à l’extérieur de la chambre de coupure pour être commandé par un mécanisme d’actionnement 201, 301 (fig. 18, 21). Cet exemple d’agencement n’est pas limitatif et s’étend à tout autre type d’agencement qui est fonction de l’architecture du pôle de coupure PC. Notamment, le contact fixe CF n’est pas nécessairement logé à l’intérieur de la chambre de coupure, mais peut y être logé en partie, ou disposé à proximité. En outre, le mécanisme d’actionnement est connu en soi et ne fait pas l’objet de l’invention. Il peut être animé d’un mouvement de translation et/ou de rotation commandé manuellement et/ou automatiquement. Et la zone de coupure Z s’étend au moins dans le plan de coupure P et correspond au moins à l’espace défini entre les positions ouverte et fermée du pôle de coupure PC.
Dans les exemples représentés, la chambre de coupure 100, 110, 120, 130 présente une forme majoritairement symétrique par rapport à un plan médian A qui passe par le plan de coupure P. Cette symétrie permet de s’affranchir avantageusement de la polarité de la source de champ 2 qui remplira toujours sa fonction quel que soit le sens du courant dans le pôle de coupure PC. Néanmoins, elle peut également présenter une forme asymétrique en fonction de l’architecture du pôle de coupure PC, sans toutefois remettre en cause le fait qu’elle peut s’affranchir de la polarité de la source de champ 2.
En outre, la chambre de coupure 100, 110, 120, 130 s’étend sur une dimension longitudinale, parallèle au plan médian A, qui s’étend au moins entre la position fermée (fig. 1) et la position ouverte (fig. 2) du contact mobile CM dudit pôle de coupure PC. Et, la chambre de coupure 100, 110, 120, 130 s’étend sur une dimension transversale L2, perpendiculaire au plan médian A, qui déborde d’un côté ou des deux côtés du pôle de coupure PC. Ainsi, la zone de coupure Z, qui correspond au volume intérieur délimité par la chambre de coupure, est scindée en au moins une zone d’apparition Za dans laquelle l’arc électrique E nait et une zone d’extinction Ze dans laquelle l’arc électrique E s’éteint (Z = Za + Ze(s)). La zone d’apparition Za se situe au niveau du pôle de coupure PC et chevauche le plan de coupure P. La ou les zones d’extinction Ze sont attenantes et périphériques à la zone d’apparition Za. La dimension transversale L2 est par exemple au moins égale à X fois la dimension transversale L1 de la zone d’apparition Za, X étant compris entre 2 et 10, sans que ce coefficient ne soit limitatif. Si la chambre de coupure est asymétrique, elle peut ne comporter qu’une zone d’extinction Ze d’un côté de la zone d’apparition Za. En option, la ou les zones d’extinction Ze peuvent comporter en outre des ailettes (non représentées) dans une matière amagnétique telle qu’en cuivre, en céramique, en matières plastiques ou similaire, pour créer des chicanes et fractionner l’arc électrique E dans le but d’accélérer son extinction.
La source de champ 2 est disposée dans l’environnement proche et en regard de la zone de coupure Z. Elle s’étend sur une dimension longitudinale, parallèle au plan médian A, et couvre de préférence toute la zone de coupure Z. Et, elle s’étend sur une dimension transversale, perpendiculaire au plan médian A, et couvre également et de préférence toute la zone de coupure Z. Elle est en outre orientée pour générer un champ magnétique B en direction de la zone de coupure Z, les vecteurs de champ magnétique étant essentiellement parallèles au plan de coupure P. Elle peut être constituée par un ou plusieurs aimants permanents 20, ou tout autre système équivalent pouvant générer une excitation magnétique tel qu’une bobine 21 alimentée électriquement (fig. 17). Dans les exemples représentés, la source de champ 2 a une forme plane, parallélépipédique, sans que cette forme ne soit limitative. En effet, il est possible de réaliser une source de champ 2 dont la forme est adaptée à l’architecture du pôle de coupure PC, qui peut être courbe dans le cas par exemple d’un appareil à coupure rotative. Dans ce cas, elle peut être constituée d’une pluralité d’aimants permanents 20 parallélépipédiques disposés côte à côte sur une ligne courbe, ou d’un aimant permanent 20 moulé dans une forme courbe. Dans ce cas, la forme de la carcasse 3 est adaptée à celle de la source de champ 2.
Selon les figures 1 à 6, l’aimant permanent 20 est un aimant indépendant Nord-Sud, défini par deux faces de polarités opposées et parallèles entre-elles, générant un champ magnétique B qui se referme sur lui-même. De préférence, la face qui correspond au pôle Nord N, appelée face avant, est positionnée en regard de la zone de coupure Z pour créer un champ magnétique B ou un vecteur d’excitation magnétique qui sort de son pôle Nord N et se referme sur son pôle Sud S correspondant à sa face opposée, appelée face arrière via la carcasse 3. Ce champ magnétique B est concentré dans la zone de coupure Z. Ses lignes de champ décrivent des boucles essentiellement parallèles à un plan transversal correspondant au plan de coupe des figures 4 à 6. Elles sont en outre essentiellement parallèles au plan de coupure P dans ladite zone de coupure Z, et sont de fait essentiellement perpendiculaires au courant I circulant entre le contact fixes CF et le contact mobile CM du pôle de coupure PC. Le principe du soufflage magnétique est expliqué plus loin en référence aux figures 3 à 5.
La carcasse 3 magnétique présente une forme rectangulaire, en référence aux figures 1 à 6, étant précisé qu’en réalité on privilégiera des angles arrondis aux angles droits pour faciliter la circulation du champ magnétique B. La carcasse 3 est réalisée dans une matière ferromagnétique, magnétique ou dans toute autre matière équivalente à forte perméabilité magnétique lui permettant de remplir sa fonction de canalisation du champ magnétique B. Elle peut être réalisée à partir d’une seule tôle formée par pliage et/ou par cintrage et/ou par extrusion, ou à partir de plusieurs tronçons de tôles assemblés par simple juxtaposition (par contact) et/ou par soudage ou par tout autre procédé de fabrication et d’assemblage, la tôle pouvant être constituée d’une ou de plusieurs feuilles de matière superposées. Dans tous les exemples représentés, la carcasse 3 entoure au plus près la zone de coupure Z et la source de champ 2, et comporte au moins une fenêtre 35 ouverte vers l’extérieur pour permettre le passage du contact mobile CM du pôle de coupure PC.
Dans l’exemple des figures 1 à 6, la carcasse 3 comporte une paroi périphérique 30 qui est fermée à une de ses extrémités par une paroi transversale 31 et ouverte à l’autre de ses extrémités permettant notamment l’évacuation des gaz issus de l’arc électrique E. Elle pourrait ne pas comporter de paroi transversale 31 et être ouverte de part en part, ou au contraire comporter deux parois transversales fermant ses deux extrémités pour optimiser le confinement de l’arc électrique E, et ceci en fonction du cahier des charges de chaque chambre de coupure. La paroi périphérique 30 de la carcasse 3 comporte une face arrière 32, deux faces latérales 33, et une face avant 34 ouverte sur ladite fenêtre 35. La fenêtre 35 s’étend, dans cette variante, sur toute la dimension longitudinale de la chambre de coupure 100, parallèle à l’axe de symétrie A. La face arrière 32 de la carcasse 3 est de préférence parallèle et attenante à la face arrière de la source de champ 2 pour ne pas créer d’entrefer. Elle a en outre une longueur supérieure à la longueur de la source de champ 2 pour éviter que les extrémités de la source de champ 2 ne soient en contact avec les faces latérales 33 de la carcasse 3 et empêcher ainsi tout risque de court-circuit magnétique la source de champ 2. La face avant 34 de la carcasse 3 se referme sur la face avant de la source de champ 2 en ménageant un entrefer D2 dans le circuit magnétique formé par ladite source de champ 2 et ladite carcasse 3. Dans cet exemple, la face avant 34 forme deux rabats 34a, 34b qui s’étendent parallèlement à la face arrière 32 de la carcasse 3, et délimite avec la face avant de la source de champ 2 un volume d’air dans lequel prend place la zone de coupure Z. Ce volume d’air, qui forme ledit entrefer D2, est traversé par les lignes de champ B qui sortent du pôle Nord N de la source de champ 2, traversent la zone de coupure Z et rebouclent vers le pôle Sud S de la source de champ 2 en étant canalisées par les rabats 34a, 34b, les faces latérales 33 et la face arrière 32 de la carcasse 3.On choisira par conséquent un entrefer D2 de longueur la plus petite possible pour réduire au minimum la réluctance magnétique du volume d’air traversé par les lignes de champ et ainsi maximiser le champ magnétique B. La longueur de l’entrefer D2 peut être déterminée en fonction du volume de la zone de coupure Z, lui-même fonction en partie de l’encombrement du pôle de coupure PC.
La chambre de coupure 100 représentée dans la figure 1 correspond à une position fermée du pôle de coupure PC dans laquelle le contact mobile CM est fermé sur le contact fixe CF permettant la circulation d’un courant I circule dans un circuit électrique. La figure 2 correspond à une position ouverte du pôle de coupure PC dans laquelle le contact mobile CM est séparé du contact fixe CF interdisant la circulation dudit courant I. A l’ouverture du circuit électrique, un arc électrique E s’établit entre le contact fixe CF et le contact mobile CM maintenant la circulation du courant I. La figure 3, qui est une vue en coupe longitudinale de la chambre de coupure 100, permet de visualiser la position de l’arc électrique E lors de son apparition (E1) dans laquelle il s’étend sensiblement verticalement entre le contact fixe CF et le contact mobile CM dans le plan de coupure PC et dans ladite zone d’apparition Za, puis sa position après avoir été soufflé magnétiquement (E2) dans laquelle il est déformé et étiré en direction des faces latérales 33 de la carcasse 3 en-dehors du plan de coupure PC et dans lesdites zones d’extinction Ze. Les forces électromagnétiques F mises en jeu pour ce soufflage magnétique sont représentées par les vecteurs F.
Le principe du soufflage magnétique est illustré à la figure 4 qui représente une vue en coupe transversale de la chambre de soufflage 100 montrant l’arc électrique E dans lequel circule un courant I, le champ magnétique généré par la source de champ 2 représenté par le vecteur B et la force électromagnétique généré par le champ magnétique B sur le courant I représenté par le vecteur F. La zone en pointillés sur la figure 4 représente la zone de coupure Z, délimitée par l’enveloppe isolante intérieure 4, dans laquelle est géré l’arc électrique E, couvrant la zone d’apparition Za et les deux zones d’extinction Ze. Il est connu que la présence d’un champ magnétique B et d’un courant I génère une force électromagnétique F appelée force de Laplace qui s’exerce sur l’arc électrique E créé à l’ouverture du pôle de coupure PC, et qui s’étend dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan de coupure P. Dans le cas présent, l’arc électrique E est déplacé et étiré dans une des zones d’extinction Ze de la chambre de coupure 100, en direction d’une des faces latérales 33 de la carcasse 3 au contact de laquelle l’arc électrique se refroidit rapidement et s’éteint. Du fait de la faible longueur de l’entrefer D2 et de la géométrie de la chambre de coupure 100, la zone de coupure Z est étroite et allongée transversalement, ayant pour effet de contraindre l’arc électrique E lors de son déplacement à s’aplatir, ce qui tend à le refroidir davantage. En effet, en s’aplatissant, l’arc électrique E offre une plus grande surface d’échange (forme ovale de l’arc) avec la paroi isolante 4 très proche.
Il est à noter que la symétrie de la chambre de coupure 100 par rapport au plan de coupure P induit des performances invariables suivant le sens du courant I et donc suivant le sens de soufflage de l’arc électrique E que ce soit vers la droite ou vers la gauche sur la figure 4. Comme expliqué précédemment, cette symétrie selon le plan de coupure P, confondu avec le plan médian A, peut accepter une certaine tolérance, donc une certaine asymétrie, sans nuire ni au fonctionnement ni à l’efficacité de la chambre magnétique 100, conformément à l’exemple de réalisation illustré à la figure 21.
En outre, l’effet de la canalisation du champ magnétique B obtenu par la présence d’une carcasse 3 magnétique est représenté uniquement dans la partie droite de la figure 5, par les lignes de champ magnétique B qui sortent du pôle Nord N de la source de champ 2, traversent une portion dans l’air la plus courte possible du fait de la faible longueur de l’entrefer D2, puis se concentrent dans la carcasse 3 via le chemin le plus court pour se refermer en boucle sur le pôle Sud S de la source de champ 2. La combinaison de la carcasse 3 permettant de canaliser le flux magnétique et d’un entrefer D2 le plus étroit possible permet de concentrer et de maximiser le champ magnétique B qui traverse la zone de coupure Z pour optimiser la gestion de l’arc électrique E dès sa naissance dans la zone d’apparition Za jusqu’à sa disparition dans la ou les zones d’extinction Ze en direction des faces latérales 33 de la carcasse 3.
La figure 6 illustre en coupe transversale une variante de la chambre de coupure 100 complétée par une enveloppe isolante extérieure 5 agencée pour isoler électriquement la carcasse 3 par rapport à l’environnement extérieur. Tout comme l’enveloppe isolante intérieure 4, l’enveloppe isolante extérieure 5 peut être réalisée dans une matière électriquement isolante, voire également gazogène, moulée ou injectée, tels que par exemple des matières plastiques, composites ou céramiques. S’il s’agit d’une matière qui peut être moulée, cette dernière peut être surmoulée tout autour de la carcasse 3 formant simultanément l’enveloppe isolante intérieure 4 et l’enveloppe isolante extérieure 5.
Le principe de canalisation décrit en référence aux figures 1 à 6 n’est pas uniquement limité à la géométrie de la carcasse 3 décrite précédemment. Les figures 7 à 12 permettent d’illustrer d’autres configurations mettant en œuvre le même principe physique. La chambre de coupure 100 est représentée uniquement par sa carcasse 3 et sa source de champ 2, et est déclinée en six variantes de réalisation. Dans la figure 7, la paroi périphérique 301 de la carcasse 3 est plus ouverte que la paroi périphérique 30 précédente, et comporte une face avant 341 formée de deux rabats 341a et 341b orientés vers l’extérieur pour augmenter le volume de la zone de coupure Z. Ainsi, ce volume peut contenir des plasmas plus volumineux notamment dans le cas de courants I forts, et/ou une zone de coupure Z plus volumineuse adaptée à l’encombrement du pôle de coupure PC. Dans la figure 8, la paroi périphérique 302 de la carcasse 3 comporte une face avant 342 formée de deux rabats 342a et 342b orientés vers l’extérieur, comme dans l’exemple précédent, mais dont les extrémités 342a’ et 342b’ sont recourbées vers l’extérieur et se font face de part et part de la fenêtre 35 pour canaliser le flux magnétique à l’entrée de la zone de coupure Z. Dans la figure 9, la paroi périphérique 303 de la carcasse 3 comporte une face avant 343 formée de deux rabats 343a et 343b orientés vers l’extérieur, mais dont les extrémités 343a’ et 343b’ sont recourbées parallèlement à la face arrière 32, pour canaliser le flux magnétique à l’entrée de la zone de coupure Z, et augmenter le champ magnétique dans les zones d’extinction Ze de la chambre de coupure. Dans la figure 10, la paroi périphérique 304 de la carcasse 3 comporte une face avant 344 formée de deux rabats 344a et 344b orientés vers l’intérieur, pour générer plus de champ magnétique au centre dans la zone d’apparition Za, qu’aux extrémités dans les zones d’extinction Ze de la zone de coupure Z. Dans la figure 11, la paroi périphérique 305 de la carcasse 3 comporte une face avant 345 formée de deux rabats 345a et 345b orientés vers l’intérieur, comme dans l’exemple précédent, mais dont les extrémités 345a’ et 345b’ sont recourbées vers l’extérieur, pour canaliser le flux magnétique à l’entrée et générer plus de champ magnétique dans la zone d’apparition Za qu’aux extrémités dans les zones d’extinction Ze de la zone de coupure Z. Il est en outre possible d’ajouter des aimants supplémentaires dans la chambre de coupure 100, tels que des aimants permanents 20’ au dos des rabats 34a, 34b de la face avant 34, en regard de l’aimant permanent 20 principal, pour maximiser davantage le champ magnétique dans les zones d’extinction Ze de la zone de coupure Z.
Les figures 13 à 15 illustrent une deuxième forme de réalisation d’une chambre de coupure 110 selon l’invention, qui se distingue de celle représentée dans les figures 1 à 6, par une dimension longitudinale bien supérieure à la dimension longitudinale du pôle de coupure PC pour créer dans la zone de coupure Z une zone d’extinction Ze supplémentaire, sous la forme d’une cheminée de soufflage 6. La carcasse 3 comporte à cet effet une paroi périphérique 30 dont la partie basse est ouverte et dont la partie haute est fermée. La partie basse ouverte délimite la fenêtre 35 pour le passage du contact mobile CM, qui s’étend dans le plan de coupure P. La partie haute fermée délimite la cheminée de soufflage 6 favorisant l’étirement et l’extinction de l’arc électrique E. La chambre de coupure 110 est illustrée en position fermée à la figure 13 puis en position ouverte à la figure 14. La figure 15, qui est une vue en coupe longitudinale de la chambre de coupure 110, permet de visualiser les différentes positions successives de l’arc électrique E (E1=>E2=>E3=>E4) induites par le soufflage magnétique. Il apparait clairement que la cheminée de soufflage 6 permet d’augmenter l’allongement de l’arc électrique dans la partie arrière du contact mobile CM. Dans ce mode de réalisation, le contact fixe CF a été élargi (flèche en pointillés), afin de permettre un guidage du pied de l’arc électrique E vers l’extrémité de la chambre de coupure 110, dans une des zones d’extinction Ze, pour épargner la dégradation de la zone centrale du contact fixe CF par l’arc électrique E. Comme pour la chambre de coupure 100 des figures 1 à 6, la paroi périphérique 30 de cette chambre de coupure 110 peut être fermée à l’une ou à ses deux extrémités par une paroi transversale (non représentée) pour confiner davantage l’arc électrique E.
La figure 16 illustre une troisième forme de réalisation d’une chambre de coupure 120 selon l’invention, qui se distingue de celle représentée dans les figures 1 à 6, par une carcasse 3 constituée d’une paroi périphérique 30 fermée, dont les extrémités transversales sont ouvertes formant la fenêtre 35 pour le passage du contact mobile CM. Ainsi, le contact mobile CM entre totalement dans la chambre de coupure 120 par une de ses extrémités transversales, ce qui permet de prévoir une chambre de coupure 120 totalement fermée magnétiquement, pour maximiser encore le champ magnétique B et obtenir une efficacité maximale du soufflage magnétique.
Dans la figure 17, l’aimant permanent 20 de la source de champ 2 est substitué par une bobine 21 alimentée par un courant permettant de générer un champ magnétique B dans la zone de coupure Z. Bien entendu, la source de champ 2 peut comporter plus d’une bobine 21 et toutes les variantes et déclinaisons décrites ou suggérées en rapport avec la solution précédente pourvue d’un ou de plusieurs aimants permanents sont transposables à cette forme de réalisation.
La figure 18 illustre en coupe transversale un appareil de coupure 200 électrique montrant l’implantation de deux chambres de coupure 110 selon les figures 13 et 14 dans un pôle de coupure PC double, c’est-à-dire comportant deux contacts fixes CF et deux contacts mobiles CM alignés dans le plan de coupure P. Bien entendu, l’appareil de coupure 200 représenté est simplifié au maximum car il ne fait partie en tant que tel de l’invention. Il peut comporter un ou plusieurs pôles de coupure PC assemblés côte à côte dans un seul et même boîtier 7 ou dans des boîtiers individuels juxtaposés, dont les contacts électriques opèrent dans un plan de coupure P. Il s’agit dans cet exemple de contacts à pression, dont les contacts fixes CF sont prolongés par une borne de raccordement 8, et les contacts mobiles CM sont portés par un équipage mobile 9 commandé en translation T dans le plan de coupure P par un actionneur (non représenté).
Les figures 19 et 20 illustre la chambre de coupure 100 des figures 1 à 6 déclinée à un pôle de coupure PC à contacts glissants. Le contact fixe CF est constitué d’une lame, appelée aussi couteau, s’étendant dans le plan de coupure P et le contact mobile CM est constituée d’une double lame, généralement assujetties par un organe de rappel, agencée pour s’emboiter par glissement sur la lame du contact fixe CF.
La figure 21 illustre en coupe transversale un appareil de coupure 300 électrique montrant l’implantation de deux chambres de coupure 100 selon les figures 6, 19 et 20 dans un pôle de coupure PC double, c’est-à-dire comportant deux contacts fixes CF et deux contacts mobiles CM alignés dans le plan de coupure P. Comme dans l’exemple précédent, l’appareil de coupure 300 représenté est simplifié au maximum car il ne fait partie en tant que tel de l’invention. Il peut comporter un ou plusieurs pôles de coupure PC assemblés côte à côte dans un seul et même boîtier 7 ou dans des boîtiers individuels juxtaposés, dont les contacts électriques opèrent dans un plan de coupure P. Il s’agit dans cet exemple de contacts glissants, dont les contacts fixes CF sont prolongés par une borne de raccordement 8, et les contacts mobiles CM sont portés par un équipage mobile 9 commandé en translation T dans le plan de coupure P par un actionneur (non représenté).
Les figures 18 et 21 montrent très clairement l’intérêt de la chambre de coupure 100, 110, 120, 130 selon l’invention et sa facilité d’intégration dans tout appareil de coupure 200, 300 au plus proche des contacts fixes CF puisqu’elle se positionne au moins en partie autour d’eux, grâce à sa géométrie plate et son volume restreint.
Il ressort de cette description que l’invention répond aux objectifs fixés à savoir une solution optimisée de soufflage magnétique de l’arc électrique, garantissant une excitation magnétique maximisée dans la zone de coupure, permettant d’améliorer significativement les performances de coupure pour une même qualité d’aimants. Ces bons résultats permettent de faire le choix de la nature des aimants, de leur quantité, et de leur coût, en fonction du cahier des charges pour chaque chambre de coupure.
En outre, cette solution est compatible et/ou adaptable à tout type d’appareils de coupure, aussi bien en courant continu qu’en courant alternatif, et peut remplacer avantageusement les chambres d’extinction classiques.
La présente invention n'est bien entendu pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier, en restant dans l’étendue de la protection définie dans les revendications annexées.
Claims (13)
- Chambre de coupure (100, 110, 120, 130) à soufflage magnétique pour un appareil de coupure (200, 300) électrique, ladite chambre comportant une source de champ (2) magnétique, une carcasse (3) magnétique et une zone de coupure (Z) dans laquelle un arc électrique (E) est susceptible de se former notamment lors l’ouverture d’un pôle de coupure (PC) appartenant à un appareil de coupure (200, 300), ladite source de champ (2) étant agencée pour générer un champ magnétique (B) destiné à déplacer ledit arc électrique (E) pour l’étirer et accélérer son refroidissement et son extinction, et ladite carcasse (3) étant agencée pour canaliser ledit champ magnétique (B), ledit pôle de coupure (PC) comportant un contact fixe (CF) et un contact mobile (CM) qui se déplace par rapport audit contact fixe (CF) entre une position fermée et une position ouverte sur une trajectoire définissant un plan de coupure (P), et ladite zone de coupure (Z) s’étendant au moins dans ledit plan de coupure (P), caractérisée en ce que ladite source de champ (2) est disposée dans l’environnement proche et en regard de ladite zone de coupure (Z), et est orientée pour générer des vecteurs de champ magnétique (B) essentiellement parallèles audit plan de coupure (P), en ce que ladite carcasse (3) entoure au moins en partie ladite zone de coupure (Z) et ladite source de champ (2), et comporte au moins une fenêtre (35) ouverte vers l’extérieur pour permettre au moins le passage dudit contact mobile (CM), et en ce que ladite carcasse (3) est adossée à ladite source de champ (2) et se referme devant elle par au moins un rabat pour créer au moins un entrefer (D2) dans le circuit magnétique formé par ladite source de champ (2) et ladite carcasse (3), et ainsi maximiser le champ magnétique (B) qui traverse ladite zone de coupure (Z).
- 2. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite carcasse (3) comporte une paroi périphérique (30) ouverte délimitant ladite fenêtre (35) qui s’étend parallèlement à ladite zone de coupure (Z).
- 3. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite carcasse (3) comporte une paroi périphérique (30) fermée et une ouverture à l’une au moins des extrémités transversales de ladite paroi périphérique délimitant ladite fenêtre (35) qui s’étend perpendiculairement à ladite zone de coupure (Z).
- 4. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite chambre de coupure (110) s’étend sur une longueur supérieure à la longueur de ladite zone de coupure (Z) dans ledit plan de coupure (P), et en ce que ladite carcasse (3) comporte une paroi périphérique (30) en partie ouverte et en partie fermée, la partie ouverte délimitant ladite fenêtre (35) qui s’étend parallèlement à ladite zone de coupure (Z), et la partie fermée prolongeant ladite partie ouverte et délimitant une cheminée de soufflage (6) pour l’extension de l’arc électrique.
- 5. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que ladite carcasse (3) comporte en outre au moins une paroi transversale (31) fermant au moins une des extrémités transversales de ladite paroi périphérique (30).
- 6. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que ladite paroi périphérique (30) présente une section transversale de forme choisie dans le groupe comportant une forme courbe, une forme polygonale, une forme complexe, une forme combinant des sections droites et des sections courbes.
- 7. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon la revendication 6, caractérisée en ce que la forme polygonale de ladite paroi périphérique (30) est choisie dans le groupe comprenant un rectangle, un trapèze isocèle, une forme en C dont les extrémités forment des rabats orientés vers l’extérieur ou vers l’intérieur de ladite zone de coupure (Z).
- 8. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite source de champ (2) est choisie dans le groupe comprenant un ou plusieurs aimants permanents (20, 20’), une ou plusieurs bobines (21).
- 9. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comporte une enveloppe isolante intérieure (4) s’étendant à l’intérieur et autour de ladite zone de coupure (Z) pour l’isoler électriquement de ladite source de champ (2) et de ladite carcasse (3).
- 10. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comporte une enveloppe isolante extérieure (5) s’étendant à l’extérieur et autour de ladite carcasse (3).
- 11. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite carcasse (3) s’étend sur une dimension transversale (L2), perpendiculaire au plan de coupure (P), pour scinder ladite zone de coupure (Z) en au moins une zone d’apparition (Za) dans laquelle l’arc électrique (E) nait et une zone d’extinction (Ze) dans laquelle l’arc électrique (E) s’éteint.
- 12. Chambre de coupure à soufflage magnétique selon la revendication 11, caractérisée en ce que ladite dimension transversale (L2) de la chambre de coupure (Z) est au moins égale à X fois la dimension transversale (L1) de ladite zone d’apparition (Za), X étant compris entre 2 et 10.
- 13. Appareil de coupure (200, 300) électrique comportant au moins un pôle de coupure (P), lequel comporte un contact fixe (CF) et un contact mobile (CM) qui se déplace par rapport audit contact fixe entre une position fermée et une position ouverte sur une trajectoire définissant un plan de coupure (P), et comportant au moins une chambre de coupure (100, 110, 120, 130) à soufflage magnétique, laquelle comporte une source de champ (2) magnétique, une carcasse (3) magnétique et une zone de coupure (Z) dans laquelle un arc électrique (E) est susceptible de se former notamment lors l’ouverture dudit pôle de coupure (PC), ladite source de champ (2) étant agencée pour générer un champ magnétique (B) destiné à déplacer ledit arc électrique (E) pour l’étirer et accélérer son refroidissement et son extinction, ladite carcasse (3) étant agencée pour canaliser ledit champ magnétique (B), et ladite zone de coupure (Z) s’étendant au moins dans ledit plan de coupure (P), caractérisé en ce qu’il comporte une chambre de coupure (100, 110, 120, 130) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite source de champ (2) est disposée dans l’environnement proche et en regard de ladite zone de coupure (Z), et est orientée pour générer des vecteurs de champ magnétique (B) essentiellement parallèles audit plan de coupure (P), en ce que ladite carcasse (3) entoure au moins en partie ladite zone de coupure (Z) et ladite source de champ (2), et comporte au moins une fenêtre (35) ouverte vers l’extérieur pour permettre au moins le passage dudit contact mobile (CM), et en ce que ladite carcasse (3) est adossée à ladite source de champ (2) et se referme devant elle par au moins un rabat pour créer au moins un entrefer (D2) dans le circuit magnétique formé par ladite source de champ (2) et ladite carcasse (3), et ainsi maximiser le champ magnétique (B) qui traverse ladite zone de coupure (Z).
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