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(11) | EP 0 078 719 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Interrupteur à autoexpansion et à aimant permanent |
| (57) L'invention est relative à un interrupteur à soufflage magnétique de rotation de
l'arc par un aimant permanent annulaire (10) à pclarisation axiale et par souffiage
pneumatique par autoexpansion à travers des conduits d'échappement (36, 44). Le point
de rebroussement (52) des lignes de force du spectre magnétique est décalé vers l'extérieur
de l'aimant permanent (10) par une canalisation du flux magnétique par une culasse
(46) s'étendant à travers l'orifice de l'airnant permanent (10). |
[0001] L'invention est relative à un interrupteur à arc tournant et à autoexpansion comprenant :
- une enveloppe étanche remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée,
- une chambre divisionnaire à l'intérieur de ladite enveloppe,
- une paire de contacts logés dans ladite chambre divisionnaire et ayant des électrodes annulaires de contact formant des pistes de rotation dudit arc,
- un logement, ménagé à l'intérieur de l'un des contacts, dans lequel est logé un aimant permanent annulaire dont la face frontale est coiffée par l'une associée desdites électrodes annulaires, de façon que l'aimant engendre un soufflage magnétique en rotation de l'arc ancré sur ladite électrode annulaire associée,
- un conduit d'échappement du gaz de ladite chambre divisionnaire s'étendant à travers l'orifice central de l'aimant annulaire et de l'électrode annulaire associée.
[0002] La demande de brevet français N° 80 07904, déposée le 4 avril 1980 par la demanderesse, concerne un interrupteur du genre mentionné comportant soit un aimant permanent présentant sur la face frontale un orifice borgne, soit un aimant permanent annulaire polarisé radialement. L'aimant permanent à évidement borgne ne permet pas un double soufflage de l'arc ce qui limite les performances de cet interrupteur à une coupure des courants inférieurs à environ 10000 Ampères. L'aimant annulaire permet un échappement des gaz à travers le conduit central et un double soufflage de l'are, mais les performances de cet interrupteur se sont avérées relativement limitées à une valeur voisine de celle de l'aidant, permanent à orifice borgne. La présente invention part de la constatation que l'aimant permanent annulaire n'assure pas toujours un soufflage en rotation efficace de la racine de l'arc, cette dernière ayant tendance à stagner sur les contacts. Une etude plus approfondie a montré une fermeture partielle des lignes de force du champ magnétique sur la face frontale de l'aimant permanent ce qui crée des zones de champ axial vers lesquelles l'arc a tendance à se déplacer. Dans ces zones à champ axial l'arc n'est soumis à aucune force de rotation et l'interrupteur se comporte comme un simple interrupteur à autoexpansion.
[0003] La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre la réalisation d'un interrupteur à aimant permanent de soufflage en rotation de l'arc présentant des performances comparables à celles des interrupteurs à bobine de soufflage de l'arc.
[0004] L'interrupteur selon l'invention est caractérisé par le fait que ledit aimant est polarisé axialement pour engendrer dans la zone, adjacente à l'électrode annulaire associée, d'une part un champ magnétique radial orienté dans la partie centrale dans un sens et dans la partie externe dans le sens opposé, et d'autre part un champ magnétique axial aux points de rebroussement séparant lesdites parties centrale et externe, et que l'électrode annulaire opposée à ladite électrode associée est agencée pour que l'arc s'étende entre lesdites électrodes annulaires dans ladite partie centrale du champ magnétique, ledit interrupteur comportant des moyens pour reporter vers l'extérieur de ladite face frontale lesdits points de rebroussement et éviter tout déplacement de l'arc vers lesdits points de rebroussement.
[0005] Le champ magnétique engendré par un aimant permanent annulaire polarisé axialement est représenté en coupe axiale à la figure 1 et on voit que les lignes de force se ferment symétriquement à l'intérieur et à l'extérieur de l'aimant permanent. Dans l'exemple, représenté sur la figure 1, les lignes de force sont centripètes dans la partie centrale de l'aimant permanent et centrifuges vers l'extérieur et une zone lignes de force axiales sépare les lignes de force centrifuges et centripètes. Le point de rebroussement correspondant aux lignes de force axieles est disped sensiblement au milieu de la face polaire de l'aimant permanent et on comprend que l'are iit tendance à se déplacen vers cette zone à soufflage magnétique en rotation nul. Selon la présente invention, le point de rebroussement est déplacé vers l'extérieur de la face polaire en une zone inaccessible à l'arc.
[0006] Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, le déplacement du point de rebroussement vers l'extérieur de l'aimant permanent est réalisé par une culasse en forme de virole tubulaire s'étendant dans l'orifice de l'aimant annulaire. La culasse tubulaire déforme le spectre magnétique en déplaçant le point de rebroussement vers l'extérieur de l'aiment permanent. Il ressortira de la description qui va suivre que la présence de la culasse magnétique crée une deuxième zone de champ magnétique à composante axiale importante au droit de la face terminale de la culasse, mais dans cette zone le soufflage pneumatique est maximal et l'extinction de l'arc s'effectue rapidement.
[0007] Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, le diamètre externe de l'aimant permanent est notablement agrandi, de manière à éloigner le point de rebroussement de l'orifice interne de l'aimant.
[0008] Le contact opposé à l'aimant permanent est avantageusement de forme tubulaire pour constituer un deuxième conduit d'échappement du gaz et un double soufflage de l'arc, le diamètre de la pièce tubulaire correspondant sensiblement au diamètre de l'orifice interne de l'aimant permanent annulaire. Il est clair que le contact opposé peut également comporter un aimant permanent annulaire de soufflage, l'ensemble étant dans ce cas entièrement symétrique.
[0009] L'amenée du courant à l'électrode annulaire coiffant l'aimant permanent annulaire s'effectue par l'extérieur de l'aimant en vue d'éviter d'une part toute désaimantation de l'aimant permanent de la manière décrite dans le brevet français précité, et en vue d'autre part d'engendrer un effet de centrage de l'arc par effet de boucle. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés au dessin annexé, dans lequel :
la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale, montrant le spectre d'un champ magnétique engendré par un aimant permanent annulaire, dans un interrupteur ne donnant pas satisfaction;
la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale, illustrant un interrupteur selon l'invention, en positions fermé et ouvert, respectivement sur les demi-vues de gauche et de droite:
la figure 3 est une vue simplifiée d'une variante de réalisation, selon l'invention, montrant les électrodes et l'aimant annulaire.
[0010] Sur la figure 1, un aimant permanent 10 de forme annulaire est polarisé axialement, la face polaire, par exemple de polarité nord, étant recouverte d'une électrode annulaire de contact 12. En regard de l'électrode annulaire 12 est disposée une électrode annulaire 14 constituée par la face frontale d'une pièce tubulaire de contact 16. Le diamètre de la pièce tubulaire 16 est sensiblement équivalent au diamètre de l'orifice interne 18 de l'aimant permanent 10 disposé coaxialement avec la pièce tubulaire 16. Les lignes de force sont schématiquement représentées sur la figure 1 et comportent des lignes radiales centripètes 20 et des lignes radiales centrifuges 22 dans la zone intermédiaire entre les électrodes 12, 14. Les lignes radiales centripètes 20 et centrifuges 22 sont séparées symétriquement par une zone de lignes axiales 24 correspondant à un point de rebroussement 26 de la face polaire de l'aidant permanent 10. L'ensemble est symétrique et le point de rebroussement 26 ou plus exactement les points de rebroussement 26 sont disposés sur un cercle à égale distance des cercles internes et externes de l'aimant annulaire 10.
[0011] Un arc s'étendant entre les électrodes 12 et 14 à tendance à se déplacer vers le point de rebroussement 26 et cet are représenté en 28,sur la figure 1 stagne en cette position, le champ magnétique n'exerçant aucune force de rotation. Il est clair qu'un interrupteur incorporant un tel dispositif présente des performances et de ce fait un intérêt fort limités.
[0012] La figure 2 représente un interrupteur perfectionné utilisant les éléments de base représentés sur la figure 1, que l'on reconnaît, en particulier l'aimant permanent annulaire 10, l'électrode 12 coiffant la face frontale de l'aimant annulaire 10, la pièce tubulaire 16 avec sa face frontale 14 opposée à la face annulaire 12. La pièce tubulaire 16 est montée à coulissement pour venir soit au contact de l'électrode annulaire 12 en position fermée de l'interrupteur, soit en une position d'écartement, représentée sur la partie droite de la figure 2, en position d'ouverture. L'ensemble aimant permanent 10, électrodes annulaires 12, 14, est logé à l'intérieur d'une chambre 30, constituée par exemple par une enveloppe cylindrique 32, elle-même logée dans une enceinte 34, remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée, notamment d'hexafluorure de soufre. La pièce tubulaire mobile 16 traverse le fond de la chambre 30 et communique par un orifice latéral 36 avec l'enceinte 34, de manière à créer un conduit d'échappement des gaz de la chambre 30 vers l'enceinte 34. L'életrode annulaire 12, associée à l'aimant permanent 10, est reliée électriquement à un conducteur cylindrique 38 entourant extérieurement l'aimant permanent annulaire 10 et raccordé à un tube de support et d'amenée de courant 40 traversant le fond de la chambre 30 et communiquant par un orifice 42 avec l'enceinte 34. Il est facile de voir que le support tubulaire 40 définit un deuxième conduit 44 d'échappement des gaz de la chambre 30 vers l'enceinte 34, à travers l'aimant 10 et l'électrode annulaire 1?. L'ensemble support 40, aimant permanent 10 et électrode annulaire associée 12, est monté fixe, l'arc étant tiré entre les électrodes 12, 14 lors d'un coulissement vers le bas de la pièce tubulaire 16. L'are s'étend dans la chambre 30 et d'une manière connue en soi, provoque par échauffement une augmentation de la pression dans cette chambre 30 et un échappement des gaz à travers les conduits d'échappement 36, 44 dans le contact mobile 16 et dan l'ensemble constituant le contact fixe, en l'occurrence l'électrode annulaire 12 et le support 40. L'aimant permanent est polarisé axialement en faisant par exemple apparaître une face polaire nord en regard de l'électrode annulaire opposée 14 portée par la pièce tubulaire 16. Une culasse magnétique 46 comporte une virole cylindrique 48 s'étendant dans l'orifice 18 de l'aimant permanent 10 en étant accolée au pourtour interne de cet aimant 10 et en affleurant la face frontale de l'aimant 10. La culasse 46 comporte en outre un disque annulaire 50 se raccordant à la virole interne 48 et accolé à la face postérieure polaire de l'aimant permanent 10. La culasse 46 modifie le spectre magnétique de l'aimant permanent 10, représenté sur la partie droite de la figure 2, en créant une dissymétrie et un décalage vers l'extérieur de l'aimant permanent 10 du point de rebroussement 52. Les lignes de force centrifuges 54 contournent l'aimant permanent par l'extérieur tandis que les lignes de force centripètes 56 se concentrent vers l'extrémité de la virole 48.
[0013] L'interrupteur selon la figure 2 fonctionne de la manière suivante :
En position fermée de l'interrupteur, représentée sur la partie gauche de la figure 2, le courant, passant par le contact mobile 16, les électrodes aboutées 14, 12, le conducteur cylindrique 38 et le support 40, n'exerce aucune force de désaimantation sur l'aimant permanent 10. Il convient de préciser que la culasse 46 est avantageusement isolée des pièces conductrices du courant ou est agencée pour offrir une résistance notable au passage du courant. En position d'ouverture, représentée sur la partie droite de la figure 2, l'arc s'étendant entre les électrodes 12, 14 peut être considéré comme un nuage conducteur intercalé entre les électrodes 12, 14. Ce nuage conducteur comporte trois parties essentielles. en l'occurrence une partie centrale soumise à l'action du champ magnétique centripète radial 56, une partie externe tendant à se déplacer vers le point de rebroussement 52 et une partie interne ancrée sur le bord interne de l'électrode annulaire 12. Cette dernière partie s'étend dans une zone de champ axial, mais elle est soumise à un soufflage pneumatique intense dû à l'échappement des gaz à travers le conduit d'échappement 44 favorisant une extinction rapide. La partie centrale est soumise à un soufflage magnétique dû à la composante radiale importante 56 du champ engendré par l'aimant permanent 10. La partie externe est soumise à une force de centrage s'opposant au déplacement vers le point de rebroussement 52, d'une part due à l'effet de soufflage par les gaz s'échappant par les conduits d'échappement, et d'autre part par les forces électrodynamiques ou effets de boucle résultant de l'amenée de courant par le pourtour externe de l'électrode annulaire 12. L'interrupteur est capable de couper de larges gammes de courant et son pouvoir de coupure est élevé. La figure 2 représente le mode de mise en oeuvre préférentiel selon l'invention, et il est à noter que le dispositif de soufflage par aimant permanent annulaire à aimantation axiale peut être utilisé en combinaison avec un contact opposé plein en faisant appel à un soufflage unique. D'une manière analogue, il est possible de prévoir deux aimants permanents annulaires agencés symétriquement et chacun étant associé à l'un des contacts tubulaires. La culasse 46 ne comporte pas obligatoirement un disque postérieur 50, seule la concentration des lignes de force dans la zone frontale étant importante. Le dispositif de soufflage selon l'invention peut être utilisé en combinaison avec d'autres contacts susceptibles de transférer l'arc sur les électrodes annulaires 12, 14. Quoique le dispositif à autoexpansion soit le plus avantageux, il est possible d'utiliser le soufflage par aimant permanent annulaire avec tout autre système de soufflage, notamment du type à autcsoufflage par pistonnage de gaz. La forme et la disposition de la culasse 46 peut être différente et le déplacement du point de rebroussement 52 vers une zone éloignée de l'électrode annulaire opposée 14 peut être réalisé d'une manière différente par exemple illustrée par la figure 3.
[0014] Sur la figure 3 ne sont représentés que les éléments de l'interrupteur disposés à l'intérieur de la chambre 30, et on reconnaît la pièce mobile 16 avec la surface annulaire frontale 14 disposée en face de la partie fixe à support 40. L'aimant permanent annulaire à polarisation axiale, représenté par le repère 58, est un aimant analogue à celui portant le repère 10 sur la figure 2, mais à diamètre externe notablement accru. Une électrode annulaire associée 60 coiffe la face polaire de l'aimant 58 en étant reliée électriquement au support 40 par des pièces conductrices 62 entourant l'aimant permanent 58 extérieurement. De la manière indiquée ci-dessus les gaz comprimés par échauffement dans la chambre 30 peuvent s'échapper par le conduit d'échappement 44 traversant le trou central de l'aimant annulaire 58 et par le conduit constitué par la pièce tubulaire 16. L'aimant permanent 5'8 ne comporte pas de culasse et le champ magnétique est entièrement symétrique, notamment le point de rebroussement 64. L'augmentation du diamètre externe de l'aimant annulaire 58 permet d'écarter le point de rebroussement 64 de l'électrode annulaire 14, de façon à éviter de la manière décrite ci-dessus tout déplacement de l'arc vers ce point de rebroussement 64. Il est inutile de décrire le fonctionnement de cette variante de réalisation lequel est exactement identique à celui décrit en relation avec l'interrupteur représenté à la figure 2. Il est clair que l'augmentation du diamètre externe de l'aimant permanent 58 peut être combinée à l'action d'une culasse de canalisation du flux magnétique ou de tout autre moyen de modification du spectre magnétique de soufflage de l'arc. Le décalage vers l'extérieur du point de rebroussement 64 est particulièrement visible par comparaison avec le dispositif illustré par la figure 1. De bons résultats ont pu être obtenus en augmentant le diamètre du cercle constitué par les points de rebroussement 64 à une valeur sensiblement double du diamètre de l'électrode annulaire 14.
[0015] La paroi de la pièce tubulaire 16 est avantageusement faible dans les deux variantes décrites ci-dessus, de manière à présenter une électrode annulaire 14 de faible largeur positionnant exactement l'arc. Le diamètre de cette électrode annulaire peut bien entendu être légèrement différent, notamment inférieur au diamètre de l'orifice ménagé dans l'aimant permanent annulaire 10, 58, notamment lorsque l'effet de soufflage à travers la pièce tubulaire 16 peut être réduit.
- une enveloppe étanche (34) remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée,
- une chambre divisionnaire (30) à l'intérieur de ladite enveloppe,
- une paire de contacts logés dans ladite chambre (30) divisionnaire et ayant des électrodes annulaires (12, 14) de contact formant des pistes de rotation dudit arc ,
- un logement, ménagé à l'intérieur de l'un des contacts, dans lequel est logé un aimant permanent (10) annulaire dont la face frontale est coiffée par l'une associée (12) desdites électrodes annulaires (12, 14), de façon que l'aimant (10) engendre un soufflage magnétique en rotation de l'arc ancré sur ladite électrode annulaire associée (12),
- un conduit d'échappement (44) du gaz de ladite chambre divisionnaire (30) s'étendant à travers l'orifice central (18) de l'aimant annulaire (10) et de l'électrode annulaire associée (12),
caractérisé par le fait que ledit aimant (10) est polarisé axialement pour engendrer dans la zone, adjacente à l'électrode annulaire associée (12), d'une part un champ magnétique radial orienté dans la partie centrale dans un sens (56) et dans la partie externe dans le sens opposé (54) et d'autre part un champ magnétique axial aux points de rebroussement (52) séparant les parties centrale et externe, et que l'électrode annulaire opposée (14) à ladite électrode associée (12) est agencée pour que l'arc s'étende entre lesdites électrodes annulaires (12, 14) dans ladite partie centrale (56) du champ magnétique, ledit interrupteur comportant des moyens (46, 58) pour reporter vers l'extérieur de ladite face frontale lesdits points de rebroussement (52,64) et éviter tout déplacement de l'arc vers lesdits points de rebroussement (52, 64).