DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

L'invention est relative à un dispositif de commutation électrique à mécanisme d'actionnement ultra-rapide d'ouverture de contacts électriques. Le mécanisme comprend un déclencheur électrodynamique ayant une bobine de propulsion associée à un disque conducteur. Un contact fixe coopère en position de fermeture avec un contact mobile, lesdits contacts électriques étant amenés en position d'ouverture par répulsion du disque conducteur lors de l'alimentation de la bobine de propulsion. Un dispositif de rappel est destiné à générer une force de fermeture pour maintenir lesdits contacts électriques en position de fermeture. Des moyens d'accrochage du contact mobile dans la position d'ouverture comportent une culasse magnétique ayant une bobine d'attraction destinée à fournir une force d'attraction d'une armature mobile magnétique. Ladite armature est destinée à être entraînée en déplacement par le contact mobile pour se placer en contact avec la culasse magnétique fixe.

L'invention est aussi relative à un interrupteur à coupure hybride comportant en parallèle un moyen d'ouverture mécanique et un moyen d'ouverture électrique.

ETAT DE LA TECHNIQUE

L'utilisation de mécanisme d'actionnement ultra-rapide d'ouverture ou de fermeture des contacts d'un dispositif de commutation est décrit notamment dans les demandes de brevet (FR-A-2815611 , US2002/0044403 A1 , WO03/056586 A1 ).

De manière connue, comme représentée sur la figure 1 , le dispositif de commutation comprend un bloc contacteur 20 ayant un contact fixe 21 coopérant avec dun contact mobile 22 porté par un support porte-contact 23. Les contacts électriques sont connectés respectivement aux bornes électriques d'un circuit électrique externe à commuter. La commande d'ouverture et de fermeture des contacts, autrement dit le mouvement du contact mobile est actionné par un mécanisme d'actionnement.

Le but recherché par de tels dispositifs est l'ouverture et la fermeture ultra rapide des contacts.

Certaines solutions proposent des mécanismes d'actionnement ayant un déclencheur électrodynamique à effet Thomson classique. Comme représenté sur les figures 1 et 2, le déclencheur électrodynamique 10 comprend une bobine dite de propulsion 12 associée à un disque conducteur 11. Ledit disque est disposé en position de fermeture en regard et à faible distance d'une face du bobinage de la bobine de propulsion 12. La bobine de propulsion 12 est soit fixe par rapport au bâti 7 du dispositif, soit portée par un système de compensation d'usure 14 de contacts. Le système de compensation peut comporter par exemple une mousse, un élastomère ou un ressort.

Le dispositif de commutation comprend un dispositif de rappel 5 de l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 en position de fermeture desdits contacts électriques 21 , 22, ledit dispositif générant une force de fermeture F1.

Pour ouvrir les contacts, la bobine de propulsion 12 est parcourue par un courant électrique et génère un champ magnétique qui produit une force de répulsion électromagnétique Fp qui repousse le disque conducteur 11 suivant une direction parallèle à son axe de révolution Y. Le déplacement du disque conducteur 11 provoque de manière concomitante le déplacement du support porte-contact 23 et du contact mobile 22 et donc l'ouverture des contacts électriques du dispositif de commutation. Ce type de mécanisme est utilisé pour sa simplicité de mise en œuvre ainsi que pour son faible coût de revient.

Une autre solution très efficace, non représentée, consiste à placer une deuxième bobine à la place du disque conducteur. On utilise alors conjointement les forces de répulsion créées par les deux bobines pour un déplacement ultrarapide du contact mobile via la seconde bobine mobile. Les deux bobines sont alors configurées de manière à créer des forces de répulsion électromagnétiques opposées. Chaque bobine génère un champ magnétique qui produit une force de répulsion électromagnétique qui tend à repousser l'autre bobine. Sous l'effet combiné des deux forces de répulsion, la bobine mobile va se déplacer légèrement moins rapidement mais présente d'autres avantages. L'avantage principal de ce genre de dispositif est que l'on peut créer des forces de répulsion indépendante de la forme d'onde du courant de propulsion comme c'est le cas d'un propulseur à effet Thomson classique. Les courants n'ont pas à être induits par génération d'un courant de Foucault dans un secondaire tel qu'un disque massif pour que la force de répulsion s'exprime. Tous ces types de dispositif peuvent être utilisés sur un disjoncteur électromécanique à ouverture ultra rapide permettant ainsi une limitation très forte des courants de court-circuit. En outre, le dispositif à double bobine peut être utilisé sous forme asymétrique ou avec des bobines de formes diverses. Il peut être aussi complexifié au niveau de sa commande électronique. Une électronique plus sophistiquée donne accès à des fonctionnalités plus évoluées qui permettent de mieux contrôler le dispositif. On peut notamment gérer la course de déplacement de la bobine mobile qui peut être ralentie ou accélérée dans un sens comme dans l'autre. Cette variation des ralentissements/accélérations peut être obtenue soit par le contrôle de la force de répulsion au vue de la force de rappel, soit par une combinaison de ce premier contrôle avec un pilotage séparé des courants lorsqu'il s'agit d'une propulsion à deux bobines

On peut aussi envisager des moyens de maintien en position d'ouverture des contacts. Ces moyens de maintien ou d'accrochage génèrent une force retenant le support porte-contact 23 et le contact mobile 22 dans une position d'ouverture des contacts électriques du dispositif de commutation.

Les moyens d'accrochage peuvent être de type électromagnétique tel que décrit dans un brevet de la demanderesse FR2867304. Comme représenté sur la figure 2B, le maintien en position d'ouverture des contacts 21 , 22 est obtenu grâce à une force de d'attraction électromagnétique supplémentaire. Des moyens d'accrochage 30 de l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte- contact 23 - contact mobile 22 dans la position d'ouverture, comportent alors une armature mobile magnétique 31 destinée à collaborer par attraction avec une culasse magnétique 32 lors de l'excitation d'une bobine d'attraction 33. L'armature mobile magnétique 31 est liée mécaniquement à l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22. A titre d'exemple de réalisation, une tige rigide et non déformable relie l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 à l'armature mobile magnétique 31. Tout déplacement dudit ensemble entraine alors concomitamment le déplacement de l'armature mobile magnétique 31 et vice versa. Ces moyens d'accrochage électromagnétiques présentent l'inconvénient d'alourdir l'ensemble des moyens propulsés par la bobine de propulsion, un alourdissement des pièces en mouvement allant à rencontre de la vitesse d'ouverture.

Les moyens d'accrochage peuvent aussi être de type mécanique en utilisant par exemple un verrou. Lorsque les moyens d'accrochage sont mécaniques, ils peuvent présenter l'inconvénient de générer un frottement additionnel.

EXPOSE DE L'INVENTION

L'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, de manière à proposer un dispositif de commutation comportant un mécanisme d'actionnement ultra-rapide et des moyens d'accrochage magnétique efficaces.

Le contact mobile du dispositif de commutation électrique selon l'invention est porté par un support porte-contact comportant des moyens d'entrainement destinés à venir collaborer, en cours du déplacement du contact mobile, avec l'armature mobile magnétique. La mise en contact desdits moyens d'entrainement avec l'armature mobile magnétique entraine son déplacement en direction de la culasse magnétique.

Selon un mode de développement de l'invention, le support porte-contact est solidaire du disque conducteur, Les moyens d'entraînement de l'ensemble étant positionnés sur le disque conducteur.

De préférence, les moyens d'entrainement sont destinés à venir en contact avec l'armature mobile magnétique pour l'entraîner en mouvement lorsque la distance entre le contact mobile et le contact fixe est au moins supérieure à 50% d'une distance totale d'ouverture desdits contacts. Selon un mode de développement de l'invention, les moyens d'accrochage comportent des moyens de maintien destinés à maintenir l'ensemble mobile disque conducteur - support porte-contact - contact mobile en position d'ouverture, la force d'attraction étant appliquée audit ensemble mobile via les moyens de maintien.

Avantageusement, les moyens de maintien comportent un ergo qui vient collaborer avec un emplacement aménagé sur le support porte-contact pour interdire un retour en position de fermeture de l'ensemble mobile disque conducteur - support porte-contact - contact mobile.

De préférence, la force d'attraction fournie par la bobine d'attraction de la culasse magnétique est d'intensité supérieure à la force de fermeture fournie par le dispositif de rappel,

De préférence, l'armature mobile magnétique comporte un disque magnétique destiné à être disposé en position d'ouverture en regard et à faible distance d'une face de la bobine d'attraction et en contact avec la culasse magnétique.

L'invention est relative à un interrupteur à coupure hybride comportant en parallèle un moyen d'ouverture mécanique et un moyen d'ouverture électrique. Le moyen d'ouverture mécanique est constitué d'un dispositif de commutation électrique tel que défini ci-dessus.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés sur lesquels :

• Les figures 1A et 1 B représentent des vues schématiques en coupe de dispositifs de commutation selon l'état de l'art.

• Les figures 2A et 2B représentent des vues schématiques en coupe d'un dispositif de commutation connu incluant un accrochage magnétique ; • La figure 3A représente une vue schématique en coupe d'un dispositif de commutation selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention en position fermée ;

• La figure 3B représente une vue schématique en coupe du dispositif selon la figure 3A en cours d'ouverture ;

• La figure 3C représente une vue schématique en coupe du dispositif selon la figure 3A en position ouverte ;

• La figure 4 représente une vue schématique d'un interrupteur hybride selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION

Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention tel que représenté sur les figures 3A à 3C, le dispositif de commutation électrique 1 à mécanisme d'actionnement ultra-rapide d'ouverture de contacts électriques 21 , 22 comprend un déclencheur électrodynamique 10.

Ledit déclencheur comprend une bobine de propulsion 12 associée à un disque conducteur 11. Comme représenté sur la figure 3A, ledit disque conducteur est disposé en position de fermeture en regard et à faible distance d'une face du bobinage de la bobine de propulsion 12. En position de fermeture des contacts électriques 21 , 22, le disque conducteur 11 est de préférence au contact avec la face du bobinage de la bobine de propulsion 12. Dans un exemple de réalisation, le diamètre extérieur du disque conducteur 11 est au moins égal au diamètre extérieur de la bobine de propulsion 12.

Selon un mode particulier de réalisation, les axes de révolution Y de la bobine de propulsion 12 et du disque conducteur 11 sont confondus ou alignés.

Selon un mode particulier de réalisation, la bobine de propulsion 12 est reliée au bâti 7 via un système de compensation d'usure 14. Le système de compensation d'usure 14 permet de maintenir le disque conducteur 1 1 propulsé, en position de fermeture, le plus rapproché possible de la bobine de propulsion 12 et ce quelque soit l'état d'usure des contacts électriques.

Ledit déclencheur comprend un bloc contacteur 20 ayant un contact fixe 21 coopérant avec un contact mobile 22. Le contact mobile 22 est relié au disque conducteur 1 1 par l'intermédiaire d'un support porte-contact 23. Ainsi, tout mouvement en translation du disque conducteur 11 suivant son axe de révolution Y est intégralement transmis au contact mobile 22 qui se déplace suivant le même axe.

Ledit déclencheur comprend un dispositif de rappel 5 destiné à générer une force de fermeture F1 pour maintenir lesdits contacts électriques 21 , 22 en position de fermeture. Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif de rappel 5 comporte de préférence un ressort hélicoïdal. Comme représenté sur les figures 3A à 3C, ce ressort tend à se compresser au moment de l'ouverture des contacts électriques 21 , 22. La force de fermeture F1 est alors une force de compression s'appliquant sur l'ensemble mobile disque conducteur 1 1 - support porte-contact 23 - contact mobile 22.

Ledit déclencheur comprend des moyens d'accrochage 30 du contact mobile 22 dans la position d'ouverture. Lesdits moyens d'accrochage sont destinés à maintenir l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 contact mobile 22 dans une position d'ouverture des contacts électriques 21 , 22. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'accrochage 30 comportent une culasse magnétique 32 fixe ayant une bobine d'attraction 33 destinée à être alimentée électriquement pour fournir une force électromagnétique d'attraction Fa.

Les moyens d'accrochage 30 comportent en outre une armature mobile magnétique 31 destinée à venir se placer en contact avec la culasse magnétique 32 fixe. L'armature mobile magnétique 31 est entraînée en déplacement par le contact mobile 22 en mouvement, l'entraînement de ladite armature étant directe ou indirecte. Selon un mode particulier de réalisation, l'ensemble mobile disque conducteur 1 1 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 est destiné à entraîner en déplacement l'armature mobile magnétique 31.

A titre d'exemple de réalisation, la culasse magnétique 32 a une forme annulaire. La bobine d'attraction 33 est positionnée à l'intérieur de l'anneau ouvert. L'armature mobile magnétique 31 comporte un disque magnétique destiné à venir collaborer avec la culasse magnétique 32 afin de refermer l'anneau ouvert. La culasse magnétique 32 fixe associée à l'armature mobile magnétique 31 forme ainsi un circuit magnétique. Les lignes de champ magnétique générées par la bobine d'attraction 33 viennent se reboucler dans le circuit magnétique en traversant les entrefers présents au niveau des zones de contacts entre ladite culasse et ladite armature.

Selon un mode préférentiel de fonctionnement de l'invention, la force électromagnétique d'attraction Fa fournie par ladite bobine d'attraction 33 est destinée à maintenir l'armature mobile magnétique 31 et l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23- contact mobile 22 en position d'ouverture. La force électromagnétique d'attraction Fa fournie par la bobine d'attraction 33 de la culasse magnétique 32 s'oppose à la force de fermeture F1 fournie par le dispositif de rappel 5. En outre, la force d'accrochage Fa est d'intensité supérieure à une force de fermeture F1 fournie par le dispositif de rappel 5 en position de fermeture. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention tel que représenté sur les figures 3A, 3B et 3C, les moyens d'accrochage 30 comportent des moyens de maintien 9 destinés à maintenir l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 en position d'ouverture. A titre d'exemple de réalisation, les moyens de maintien 9 comportent un ergo qui vient collaborer avec un emplacement aménagé sur le support porte-contact 23 pour interdire un retour en position de fermeture dudit l'ensemble mobile

Selon un mode particulier de fonctionnement, la force électromagnétique d'attraction Fa fournie est aussi destinée à attirer l'armature mobile magnétique 31 en position contre la culasse magnétique 32. La force électromagnétique d'attraction Fa fournie par la bobine d'attraction 33 favorise ainsi le déplacement de l'armature mobile magnétique 31 et peut entraîner son déplacement avant que l'ensemble mobile disque conducteur 1 1 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 vienne en contact avec ladite armature pour provoquer son déplacement.

Dans une première phase de fonctionnement préférentiel du dispositif de commutation, lesdits contacts électriques 21 , 22 sont amenés en position ouverte par répulsion du disque conducteur 11 lors de l'alimentation de la bobine de propulsion 12. En effet, lorsque la bobine de propulsion 12 est parcourue par un courant électrique, cette dernière génère un champ magnétique qui produit une force de répulsion électromagnétique Fp. A titre d'exemple de réalisation, l'impulsion électrique est délivrée par une source d'énergie en particulier impulsionelle qui peut être constituée d'un condensateur préalablement chargé. La force de répulsion Fp repousse le disque conducteur 1 1 suivant une direction parallèle à son axe de révolution Y. Le déplacement du disque conducteur 11 provoque de manière concomitante le déplacement du support porte-contact 23 et du contact mobile 22. Ledit contact mobile quitte la position de fermeture. L'intensité de la force de répulsion Fp est largement supérieure à l'intensité de la force de fermeture F1 exercées par les moyens élastiques du dispositif de rappel 5 quelque soit la position de l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 (Fp » F1 ). La séparation des contacts électriques 21 , 22 est ainsi opérée avec une masse minimale à déplacer. L'accélération de l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 est maximale. Au cours de cette première phase de fonctionnement, le déplacement de l'ensemble mobile disque conducteur 1 1 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 est entièrement indépendant de celui de l'armature mobile magnétique 31. Ledit ensemble effectue en effet une course libre au cours de laquelle le contact mobile 22 se déplace vers la position d'ouverture. On entend ainsi par « course libre » le fait que l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 se déplace sans provoquer le déplacement de l'armature mobile magnétique 31.

Une seconde phase de fonctionnement débute lorsque la distance entre le contact mobile 22 et le contact fixe 21 est suffisante. Ledit déplacement du contact mobile 22 est considéré comme suffisant lorsque la distance ou l'écartement entre le contact mobile 22 et le contact fixe 21 permet d'assurer une coupure électrique. A ce stade de fonctionnement, le support porte-contact 23 lié au contact mobile 22 comporte des moyens d'entrainement qui viennent en contact avec l'armature mobile magnétique 31 pour l'entraîner en déplacement.

A titre d'exemple de réalisation, l'entraînement en déplacement de l'armature mobile magnétique 31 démarre lorsque le support porte-contact 23 s'est déplacé de manière à ce que la distance entre le contact mobile 22 et le contact fixe 21 soit au moins supérieure à 50% d'une distance totale d'ouverture des contacts électriques 21 , 22.

A titre d'exemple de réalisation, le support porte-contact 23 étant solidaire du disque conducteur 11 , les moyens d'entrainement sont positionnés sur le disque conducteur 11 pour venir directement en contact avec une surface du disque magnétique de l'armature mobile magnétique 31. Du fait de l'accumulation d'énergie cinétique de l'ensemble mobile disque conducteur 1 1 - support porte- contact 23 - contact mobile 22, un choc entre les moyens d'entrainement et ladite armature mobile magnétique 31 provoque le déplacement de ladite armature contre la culasse magnétique 32. A titre d'exemple de réalisation, les masses respectives de l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 et de l'armature mobile magnétique sont sensiblement égales. Compte tenu de cet équilibre des masses, le choc entre lesdits moyens d'entrainement et ladite armature provoque d'une part une très forte accélération de l'armature mobile magnétique 31 et d'autre part un très fort ralentissement de l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22.

Dans une troisième phase de fonctionnement, la bobine d'attraction 33 alimentée électriquement fournit une force d'attraction Fa. La force d'attraction Fa est appliquée à l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 via les moyens de maintien 9 des moyens d'accrochages 30. Ainsi, à la fin de la seconde phase de fonctionnement, le positionnement de l'armature mobile magnétique 31 contre la culasse magnétique 32 permet de retenir l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 en position d'ouverture contre la force de fermeture F1. Tant que la bobine d'attraction 33 est alimentée, l'armature mobile magnétique 31 reste alors accrochée à la culasse magnétique 32 et empêche alors le retour en position de fermeture du contact mobile 22. Comme représenté sur la figure 3C, les moyens de maintien 9 solidaires de l'armature mobile magnétique 31 maintiennent l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 en position d'ouverture. En outre, au cours de cette troisième phase, la bobine de propulsion 12 n'est plus alimentée et la force de propulsion Fp est alors nulle. Lesdits contacts électriques 21 , 22 sont maintenus en position d'ouverture grâce aux moyens d'accrochage 30 exerçant une force électromagnétique d'attraction Fa. Ladite force électromagnétique d'attraction Fa est d'intensité supérieure à la force de fermeture F1 exercée par les moyens élastiques du dispositif de rappel 5 en position de fermeture (Fa » F1 ).

Dans une quatrième phase de fonctionnement, la bobine de d'attraction 33 n'est plus alimentée, la force d'attraction Fa est alors nulle. Le contact mobile 22 peut alors revenir en contact avec le contact fixe 21 sous l'effet de la force de fermeture F1. L'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte-contact 23 - contact mobile 22 retrouve sa position de fermeture et les contacts électriques 21 , 22 sont donc à nouveau fermés. Le dispositif de commutation retrouve un état stable de fermeture.

Selon un mode particulier de fonctionnement du dispositif de commutation, l'armature mobile magnétique 31 débute un lent déplacement au cours de la première phase de fonctionnement. La bobine d'attraction 33 de la culasse magnétique 32 est alimentée et opère une attraction de l'armature mobile magnétique. Cette armature mobile magnétique 31 reçoit ultérieure l'énergie cinétique accumulé par l'ensemble mobile disque conducteur 11 - support porte- contact 23 - contact mobile 22 au moment du choc et poursuit sa course jusqu'au contact avec la culasse magnétique 32.

Avantageusement, le dispositif de commutation de l'invention permet de réduire la masse des éléments mobiles propulsés par la force de propulsion. En effet, au commencement du mouvement de l'ensemble mobile disque conducteur 1 1 - support porte-contact 23 - contact mobile 22, les moyens d'accrochage 30 n'étant pas encore solidaires dudit ensemble mobile ne tendent pas à ralentir l'ouverture du contact mobile 22.

Comme représenté sur la figure 4, l'invention concerne un interrupteur à coupure hybride. L'interrupteur de coupure hybride comporte un moyen d'ouverture mécanique 1 connecté en parallèle à un moyen d'ouverture électrique 100 dit statique. Le moyen d'ouverture mécanique 1 est constitué d'un dispositif de commutation électrique tel que défini ci-dessus.

Le moyen d'ouverture électrique 100 est destiné à assurer une coupure électronique très rapide et être ainsi un moyen d'ouverture extrêmement limiteur. L'énergie du circuit de coupure est principalement absorbée dans au moins une varistance 101. Le moyen d'ouverture statique 100 présente cependant une faible capacité de dissipation thermique en fonctionnement nominal. Ce problème inhérent au fonctionnement d'un moyen d'ouverture statique oblige de coupler ledit moyen d'ouverture à d'autre type de moyen de coupure tel que notamment des moyens de coupure mécanique 1.

Selon un mode particulier de réalisation l'invention, le moyen d'ouverture électrique statique 00 est celui d'un disjoncteur statique ultra-rapide tel que décrit dans un brevet de la demanderesse FR2651915.

Ainsi, l'objectif de la coupure dite hybride est d'éliminer les inconvénients des moyens d'ouverture statique 100 tout en conservant leurs avantages. Ainsi, les contacts électriques 21 , 22 en position de fermeture du moyen d'ouverture mécanique 1 assurent le passage du courant en régime normal. En cas de détection de défaut électrique, les contacts électriques 21 , 22 s'ouvrent suffisamment rapidement pour transférer le courant sur le circuit des moyens d'ouverture statique 100 qui prend alors en charge la coupure électrique et l'absorption d'énergie du court-circuit dans la varistance 101.