WO2004006392A1 - Connecteur electrique a contacts en bout pour courants de fortes intensites - Google Patents

Connecteur electrique a contacts en bout pour courants de fortes intensites Download PDF

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Gilles Marechal
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Société d'Exploitation des Procédés Maréchal (SEPM)
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    • H01R11/11—End pieces or tapping pieces for wires, supported by the wire and for facilitating electrical connection to some other wire, terminal or conductive member
    • H01R11/18—End pieces terminating in a probe

Definitions

  • the invention relates to an electrical connector with end contacts for high currents and in particular, but not exclusively, a single-pole connector.
  • an articulated test finger defined according to a standard is used.
  • the tests consist in not being able to make contact between the standard test finger and the live parts of the device to be tested by trying to introduce the test finger in all possible positions.
  • protection can be obtained by protecting each live contact with a flap or by placing it very far back in an insulating envelope so that the test finger cannot reach it.
  • the conductors and the contact elements in known devices have sections significant current flow, which are incompatible with protection only by the insulating envelope since the diameter of the contact elements becomes close to or greater than the maximum diameter of the test finger.
  • the solution can consist in placing the contacts on a circle by making them inaccessible to the test finger by means of a rotating safety disc. This solution is in particular inapplicable to single-pole connectors which have their contacts in the center.
  • the live contacts are the pins whose ends are protected by an insulator, as for example in the embodiment described in US Pat. No. 3,662,296.
  • the electrical connection between the live spindle and the conjugate socket can be made on a part of the spindle which is not accessible by the test finger.
  • the connector according to the invention is notably remarkable in that the penetrating part of the contact pin of the plug has a substantially constant cross section whose dimensions are at most slightly smaller than the dimensions of the cross section of the passage opening of the insulator of the base while the electric cable to which the pin is connected, has a cross-sectional area much greater than that of the penetrating part of said pin and, for example, at least twice as much.
  • the opening for the passage of the insulation of the base is cylindrical while the diameters of said opening and of the penetrating part of the pin of the plug are less than 12 mm for, for example, a cable with a section greater than 70 mm 2 .
  • the standardized test finger has a maximum diameter of 12 mm, and it is then understood that the connector according to the invention can easily successfully undergo the test of the test finger while allowing the use of high intensities.
  • test finger has a shape reminiscent of a human finger and therefore thins towards its end. In this way, it is necessary to determine the right choice of the useful length of the spindle and its section.
  • a diameter of the spindle of between 5 and 9 mm for a length of 6 to 15 mm, this length being all the greater the greater the said diameter, while the diameter of the insulation passage opening is slightly greater than that of the pin and that the thickness of the insulation to pass through is equal to the length of the penetrating part of said pin reduced by the length necessary for the additional compression desired for the elastic contact.
  • the invention relates to unipolar connectors or not, it is particularly advantageous for constituting a unipolar device, the plug and the base then each comprising only one contact.
  • the invention of course also relates to a plug or a socket taken separately intended to constitute a connector of the aforementioned type.
  • FIG. 1 represents in section and partly a connector according to the invention, at the start of the connection maneuver,
  • the connector shown in the drawings is here a single-pole connector comprising a base 1 and a plug 2 intended to couple together.
  • the base 1 comprises an insulator 3 mounted in a casing 4 and in which a housing 5 is arranged for an elastic contact 6 under pressure.
  • the elastic contact 6 in this example consists of a contact head 7 provided for example with a silver pad, a conductive braid 8 and a spring 9 so that the contact head 7 is movable by compression and expansion of said spring 9 and of the braid 8.
  • the insulator 3 is provided with a cylindrical passage opening 10 open towards the outside.
  • the base 1 which has just been described is intended to be coupled with the plug 2 of the connector, which plug is provided with a cylindrical contact pin 11 intended to constitute an end contact with the movable elastic contact 6 on the head 7 which the pin comes to bear as shown in the drawings, the pin 11 being here also provided like the head 7 with a silver chip at its end. Indeed, during the coupling of the plug 2 in the base 1, the pin
  • the plug 11 of the plug is introduced into the insulator 3 through its passage opening 10 until it comes to contact the contact head 7 of the contact 6 which it causes, for example, to move back by 4 to 5 mm, that is to say say the length that has been determined for the desired additional compression of the movable elastic contact, the latter being already prestressed in its housing.
  • Figure 1 shows the plug 2 in the base 1 at the start of connection while in Figure 2, the plug 2 is fully coupled, the connection being ensured.
  • connection ring 12 an inner skirt 13 which cooperates with an annular seal 14.
  • the base is here conventionally active, the movable elastic contact 6 being under electric voltage.
  • the contact pin 11 of the plug which is intended to take the current is provided with a crimping head 15 (in one or more pieces) in which is crimped an electric cable 16, which is, for example, connected to a device electric to supply.
  • the passage opening 10 has a sufficiently small diameter over a certain corresponding length. the thickness of the insulation there.
  • the spindle 11 where at least the penetrating part thereof, must also have a diameter at most slightly less than that of the passage opening 10.
  • the diameter of the pin 11, or at least its penetrating part has been greatly reduced compared to the diameter of the cable 16 which ensures the passage of a high current for a voltage greater than 50 volts.
  • a cable 16 can be seen, the diameter of which is several times that of pin 11, a substantially identical cable also being shown in the drawings for the contact 6 of the base 1.
  • the cable can thus have a cross section much greater than that of the pin, and, for example, approximately twice the cross section thereof for a current of 250 A.
  • the maximum diameter of the insulating passage opening and its minimum thickness which corresponds to said penetration depth are thus known for a desired penetration depth.
  • the maximum diameter of the spindle corresponds to the maximum diameter of the opening for passage of the insulation reduced by the clearance necessary for its introduction while its minimum length is equal to the minimum thickness of the insulation increased the additional crush length of the movable elastic contact.
  • the inventor was able to determine pairs of values: (diameter of the insulation passage opening, thickness of the insulation) to which the pairs of values correspond: (diameter of the spindle, length of the spindle).
  • the pairs of values correspond: (diameter of the spindle, length of the spindle).
  • a diameter of the spindle of between 5 and 9 mm for a length of 6 to 15 mm, the length being all the greater the larger the diameter and more particularly still, in order to reduce heating as much as possible and therefore the length / surface ratio, the inventor proposes the following pair of advantageous values: a diameter of 6.7 mm for a length of 8 mm.

Abstract

L'invention concerne un connecteur électrique à contacts en bout pour courants de fortes intensités formé d'un socle actif (1) et d'une fiche (2) munie d'au moins une broche (11) de contact qui est reliée à un câble électrique (16) et qui est destinée à coopérer avec un contact élastique (6) du socle (1), ledit contact élastique (6) étant logé dans un isolant (3) dudit socle, tandis que ledit isolant est pourvu d'une ouverture de passage (10) pour l'introduction de la broche (11) de contact, connecteur qui est remarquable en ce qu'au moins la partie pénétrante de la broche (11) de contact de la fiche présente une section droite sensiblement constante dont les dimensions sont au plus légèrement inférieures aux dimensions de la section droite de l'ouverture de passage (10) de l'isolant (3) du socle (1) tandis que le câble électrique (16) auquel la broche (11) est reliée, présente une surface de section droite très supérieure à celle de la partie pénétrante de ladite broche.

Description

Connecteur électrique à contacts en bout pour courants de fortes intensités.
L'invention concerne un connecteur électrique à contacts en bout pour courants de fortes intensités et en particulier, mais non exclusivement, un connecteur unipolaire.
Il est connu que pour répondre aux normes en vigueur en vue d'assurer la sécurité des personnes et des biens, les appareils électriques doivent offrir un degré de protection minimum contre l'accès des pièces sous tension.
Pour vérifier qu'une telle protection est respectée, on utilise un doigt d'épreuve articulé défini selon une norme.
Les essais consistent à ne pas pouvoir réaliser un contact entre le doigt d'épreuve normalisé et les parties sous tension de l'appareil à tester en tentant d'introduire le doigt d'épreuve dans toutes les positions possibles.
Dans le domaine des connecteurs, une protection peut être obtenue en protégeant chaque contact sous tension par un volet ou en le plaçant très en retrait dans une enveloppe isolante afin que le doigt d'épreuve ne puisse pas l'atteindre.
Toutefois, dans le cas des courants forts, c'est-à-dire de forte intensité (par exemple supérieure à 200 A) et utilisant des tensions supérieures à 50 volts, les conducteurs et les éléments de contact dans les appareils connus présentent des sections importantes de passage du courant, qui sont incompatibles avec une protection seulement par l'enveloppe isolante puisque le diamètre des éléments de contact devient proche ou supérieur au diamètre maximum du doigt d'épreuve.
Pour les connecteurs multipolaires, la solution peut consister à disposer les contacts sur un cercle en les rendant inaccessibles au doigt d'épreuve au moyen d'un disque de sécurité rotatif. Cette solution est notamment inapplicable aux connecteurs unipolaires qui comportent leurs contacts au centre.
C'est pourquoi jusqu'à présent pour de tels courants et plus particulièrement pour les connecteurs unipolaires, une solution à broche et alvéole cylindriques particulière a été imaginée. Dans cette solution, contrairement aux prises de courant industrielles, les contacts sous tension sont les broches dont les extrémités sont protégées par un isolant, comme par exemple dans le mode de réalisation décrit dans le brevet US 3,662,296. De la sorte, la connexion électrique entre la broche sous tension et l'alvéole conjuguée peut s'effectuer sur une partie de la broche non accessible par le doigt d'épreuve.
Il est clair qu'une telle solution est inadaptée aux contacts en bout pour lesquels par définition la connexion électrique s'effectue entre l'extrémité d'une broche de contact et un contact élastique mobile sous pression, de telle sorte que l'extrémité de la broche ne peut évidemment pas être isolée.
C'est pourquoi pour les courants de fortes intensités qui utilisent des sections de conducteurs importantes, il était apparu impossible jusqu'à présent d'imaginer des contacts en bout du fait que les broches auraient des dimensions supérieures au doigt d'épreuve.
On a toujours cherché en effet à conserver une section maximale de passage du courant en vue en particulier de diminuer échauffement dû à l'effet Joule.
Il est bien connu en effet que échauffement d'un conducteur dû au passage d'un courant est proportionnel à sa résistance électrique qui est elle-même inversement proportionnelle à sa section selon la formule R = pl/s (où « p » est une constante, « I » la longueur du conducteur et « s » sa section) et c'est pourquoi on a toujours cherché à concevoir chaque broche de contact avec une section sensiblement égale à celle du câble électrique auquel elle est reliée. Dans le cas d'un connecteur, l'inventeur a vaincu ce préjugé et propose un connecteur électrique à contact en bout pour courants de fortes intensités, formé d'un socle actif et d'une fiche munie d'au moins une broche de contact qui est reliée à un câble électrique et qui est destinée à coopérer avec un contact élastique du socle, ledit contact élastique étant logé dans un isolant dudit socle, tandis que ledit isolant est pourvu d'une ouverture de passage pour l'introduction de la broche de contact. Le connecteur selon l'invention est notamment remarquable en ce que la partie pénétrante de la broche de contact de la fiche présente une section droite sensiblement constante dont les dimensions sont au plus légèrement inférieures aux dimensions de la section droite de l'ouverture de passage de l'isolant du socle tandis que le câble électrique auquel la broche est reliée, présente une surface de section droite très supérieure à celle de la partie pénétrante de ladite broche et, par exemple, au moins deux fois supérieure.
En effet, si échauffement d'un conducteur est inversement proportionnel à sa section, il est par contre directement proportionnel à sa longueur. Cependant, pour une petite longueur de broche, échauffement supplémentaire dû à cette section réduite est relativement négligeable et se disperse aisément dans le câble.
Les notions de base dans le domaine de l'électricité ne pouvaient que détourner l'inventeur de la solution, lequel a su comprendre les limites qu'impose une formule élémentaire d'électricité dans le cadre particulier d'un connecteur électrique en constatant qu'une diminution de section sur une longueur très faible avait peu d'incidence sur la résistance et donc réchauffement dans le connecteur.
De préférence, pour un connecteur muni d'une broche cylindrique, l'ouverture de passage de l'isolant du socle est cylindrique tandis que les diamètres de ladite ouverture et de la partie pénétrante de la broche de la fiche sont inférieurs à 12mm pour, par exemple, un câble de section supérieure à 70 mm2.
En effet, le doigt d'épreuve normalisé présente un diamètre maximal de 12 mm, et on comprend alors que le connecteur selon l'invention peut aisément subir avec succès l'essai du doigt d'épreuve tout en permettant l'utilisation de courants de fortes intensités.
Toutefois, le doigt d'épreuve présente une forme qui rappelle celle d'un doigt humain et qui s'amincit donc vers son extrémité. De la sorte, il faut déterminer le bon choix de la longueur utile de la broche et de sa section.
On sait qu'une section plus importante de la broche est favorable à un abaissement de échauffement mais a contrario, une plus grande section nécessite un plus grand diamètre de l'ouverture de passage de l'isolant et donc une plus grande profondeur de pénétration du doigt d'épreuve, d'où une épaisseur plus importante de l'isolant et en fin de compte une plus grande longueur de la broche, ce qui augmente réchauffement. L'inventeur a ainsi découvert que pour offrir une moindre résistance et diminuer échauffement, il ne fallait pas nécessairement une section la plus grande possible pour la broche qui serait voisine des 12 mm du diamètre maximal du doigt d'épreuve.
C'est pourquoi on peut par exemple préconiser selon l'invention un diamètre de la broche compris entre 5 et 9 mm pour une longueur de 6 à 15 mm, cette longueur étant d'autant plus grande que ledit diamètre est plus grand, tandis que le diamètre de l'ouverture de passage de l'isolant est légèrement supérieur à celui de la broche et que l'épaisseur de l'isolant à traverser est égale à la longueur de la partie pénétrante de ladite broche diminuée de la longueur nécessaire pour la compression supplémentaire souhaitée pour le contact élastique.
Il a notamment été trouvé des valeurs avantageuses et en particulier un diamètre de la broche compris entre 6,5 mm et 6,9 mm pour une longueur de sa partie pénétrante comprise entre 7,8 mm et 8,2 mm, le diamètre de l'ouverture de passage de l'isolant et son épaisseur étant adaptés comme précisé ci-avant.
Bien que l'invention concerne des connecteurs unipolaires ou non, elle est particulièrement intéressante pour constituer un dispositif unipolaire, la fiche et le socle ne comportant alors chacun qu'un seul contact. L'invention concerne bien sûr en outre une fiche ou un socle pris séparément destinés à constituer un connecteur du type précité.
L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre et qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente en coupe et en partie un connecteur selon l'invention, en début de manœuvre de connexion,
- la figure 2 correspond à la figure 1 en position de connexion.
Le connecteur représenté sur les dessins est ici un connecteur unipolaire comportant un socle 1 et une fiche 2 destinés à s'accoupler entre eux.
Le socle 1 comporte un isolant 3 monté dans un carter 4 et dans lequel est aménagé un logement 5 pour un contact élastique 6 à pression.
Comme le montrent les dessins, le contact élastique 6 est dans cet exemple constitué d'une tête de contact 7 munie par exemple d'une pastille d'argent, d'une tresse conductrice 8 et d'un ressort 9 de telle sorte que la tête de contact 7 est mobile par compression et expansion dudit ressort 9 et de la tresse 8.
L'isolant 3 est pourvu d'une ouverture de passage cylindrique 10 ouvert vers l'extérieur. Le socle 1 qui vient d'être décrit est destiné à être accouplé avec la fiche 2 du connecteur, laquelle fiche est pourvue d'une broche cylindrique de contact 11 prévue pour constituer un contact en bout avec le contact élastique mobile 6 sur la tête 7 duquel la broche vient prendre appui comme le montrent les dessins, la broche 11 étant ici également pourvue comme la tête 7 d'une pastille d'argent à son extrémité. En effet, au cours de l'accouplement de la fiche 2 dans le socle 1 , la broche
11 de la fiche s'introduit dans l'isolant 3 par son ouverture de passage 10 jusqu'à venir solliciter la tête de contact 7 du contact 6 qu'il fait reculer par exemple de 4 à 5 mm, c'est-à-dire de la longueur que l'on a déterminée pour la compression supplémentaire voulue du contact élastique mobile, celui-ci étant déjà précontraint dans son logement.
La figure 1 montre la fiche 2 dans le socle 1 en début de connexion tandis que sur la figure 2, la fiche 2 est complètement accouplée, la connexion étant assurée.
A cet effet, divers autres moyens de guidage et de verrouillage sont évidemment prévus, comme une bague de connexion 12, une jupe intérieure 13 qui coopère avec un joint annulaire d'étanchéité 14.
Le socle est ici classiquement actif, le contact élastique mobile 6 étant sous tension électrique.
La broche de contact 11 de la fiche qui est destinée à prendre le courant est pourvue d'une tête de sertissage 15 (en une ou plusieurs pièces) dans laquelle est serti un câble électrique 16, lequel est, par exemple, relié à un appareil électrique à alimenter.
On comprend que le contact 6 du socle, même sous tension, n'est pas facilement accessible du fait qu'il est entièrement logé dans l'isolant 3.
Pour atteindre ce contact, il faut passer par l'ouverture de passage 10 et afin de satisfaire le test du doigt d'épreuve comme expliqué ci-avant, il suffit que ladtie ouverture de passage 10 possède un diamètre suffisamment petit sur une certaine longueur correspondant à l'épaisseur de l'isolant à cet endroit.
De ce fait, on comprend que la broche 11 , où du moins la partie pénétrante de celle-ci, doit également posséder un diamètre au plus légèrement inférieur à celui de l'ouverture de passage 10.
Comme le montrent les dessins, le diamètre de la broche 11 , ou d'au moins sa partie pénétrante, a été fortement réduit par rapport au diamètre du câble 16 qui permet d'assurer le passage d'un courant de forte intensité pour un voltage supérieur à 50 volts. Sur les dessins, on peut voir un câble 16 dont le diamètre est égal à plusieurs fois celui de la broche 11 , un câble sensiblement identique étant en outre représenté sur les dessins pour le contact 6 du socle 1. En fait, le câble peut ainsi présenter une section très supérieure à celle de la broche, et, par exemple, environ deux fois la section de celle-ci pour un courant de 250 A.
En considérant un diamètre maximal de 12 mm pour le doigt d'épreuve, il n'y a pas nécessairement avantage à se rapprocher de ce diamètre pour la broche 11.
En fait, à partir du doigt d'épreuve, une profondeur de pénétration donnée dans l'isolant détermine le diamètre de l'ouverture de passage de celui-ci.
On connaît ainsi pour une profondeur de pénétration voulue le diamètre maximal de l'ouverture de passage de l'isolant et son épaisseur minimale qui correspond à ladite profondeur de pénétration.
Il est alors facile d'en déduire le diamètre maximal et la longueur minimale de la broche. Il est en effet clair que le diamètre maximal de la broche correspond au diamètre maximal de l'ouverture de passage de l'isolant diminué du jeu nécessaire pour son introduction tandis que sa longueur minimale est égale à l'épaisseur minimale de l'isolant augmentée de la longueur d'écrasement supplémentaire du contact élastique mobile.
Ainsi l'inventeur a pu déterminer des couples de valeurs : (diamètre de l'ouverture de passage de l'isolant, épaisseur de l'isolant) auxquels correspondent les couples de valeurs : (diamètre de la broche, longueur de la broche). Selon les besoins, on peut privilégier la plus faible épaisseur de l'isolant, par exemple pour des raisons d'encombrement et/ou de coût, ou la moindre résistance de la broche en vue d'un accroissement minimal de échauffement, etc.
On peut ainsi préconiser un diamètre de la broche compris entre 5 et 9 mm pour une longueur de 6 à 15 mm, la longueur étant d'autant plus grande que le diamètre est plus grand et plus particulièrement encore, pour réduire au mieux échauffement et donc le rapport longueur/surface, l'inventeur propose le couple de valeurs avantageux suivant : un diamètre de 6,7 mm pour une longueur de 8 mm.
Les valeurs précitées, comme les dessins, montrent que la broche devient ainsi une sorte de téton de contact. Comme déjà dit, l'inventeur a vaincu le préjugé pour ce cas d'espèce quLétait de vouloir conserver une section des conducteurs et des broches sensiblement constante pour le passage du courant et de même il a su réaliser qu'il fallait tenir compte des couples de valeurs longueur-section et ne pas s'arrêter à la seule section pour optimiser le type de connecteur. De plus, du fait de la réduction du diamètre de la partie pénétrante de la broche 11 et de la même manière de la tête 7 du contact 6, on réduit les surfaces de contact munies d'une pastille d'argent et ainsi le coût de fabrication.
Enfin, si le mode de réalisation représenté et qui est donné à titre d'exemple, concerne un connecteur unipolaire, il est clair qu'il pourrait s'agir d'un connecteur muni de plusieurs contacts, ou encore d'un ensemble formé d'une pluralité de connecteurs unipolaires.

Claims

REVENDICATIONS
1) Connecteur électrique à contacts en bout pour courants de fortes intensités, formé d'un socle actif (1 ) et d'une fiche (2) munie d'au moins une broche (11 ) de contact qui est reliée à un câble électrique (16) et qui est destinée à coopérer avec un contact élastique (6) du socle (1), ledit contact élastique (6) étant logé dans un isolant (3) dudit socle, tandis que ledit isolant est pourvu d'une ouverture de passage (10) pour l'introduction de la broche (11 ) de contact, connecteur caractérisé en ce qu'au moins la partie pénétrante de la broche (11) de contact de la fiche présente une section droite sensiblement constante dont les dimensions sont au plus légèrement inférieures aux dimensions de la section droite de l'ouverture de passage
(10) de l'isolant (3) du socle (1) tandis que le câble électrique (16) auquel la broche
(11) est reliée, présente une surface de section droite très supérieure à celle de la partie pénétrante de ladite broche. 2) Connecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le câble électrique (16) auquel la broche (11) est reliée, présente une surface de section droite au moins égale à deux fois celle de la partie pénétrante de ladite broche.
3) Connecteur selon l'une des revendications 1 et 2 muni d'une broche cylindrique, caractérisé en ce que l'ouverture de passage (10) de l'isolant (3) du socle (1) est cylindrique tandis que les diamètres de ladite ouverture (10) et de la partie pénétrante de la broche (11 ) de la fiche sont inférieurs à 12 mm.
4) Connecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le câble (16) présente une section supérieure à 70 mm2.
5) Connecteur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la partie pénétrante de la broche (11) présente un diamètre compris entre 5 et 9 mm et une longueur comprise entre 6 et 15 mm, cette longueur étant d'autant plus grande que ledit diamètre est grand, tandis que le diamètre de l'ouverture de passage (10) de l'isolant est légèrement supérieur à celui de la broche et que l'épaisseur de l'isolant à traverser est égale à la longueur de la partie pénétrante de ladite broche (11 ) diminuée de la longueur nécessaire pour la compression supplémentaire souhaitée pour le contact élastique (6).
6) Connecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diamètre de la broche est compris entre 6,5 et 6,9 mm et la longueur de sa partie pénétrante est comprise entre 7,8 et 8,2 mm 7) Connecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fiche (2) et le socle (1) ne comportent chacun qu'un seul contact (11,6) afin de constituer un connecteur unipolaire.
8) Fiche (2) destinée à constituer la fiche d'un connecteur électrique selon l'une des revendications 1 à 7.
9) Socle (1) destiné à constituer le socle d'un connecteur électrique selon l'une des revendications 1 à 7.
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