FR2815464A1

FR2815464A1 - Appareil de commutation

Info

Publication number: FR2815464A1
Application number: FR0107908A
Authority: FR
Inventors: Kishida Yukimori; Tsukima Mitsuru; Koyama Kenichi; Yoshizawa Toshiyuki; Takeuchi Toshie; Ooshige Toyomi; Sasao Hiroyuki; Akita Hiroyuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2002-04-19
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: FR2815464B1; JP2002124160A

Abstract

Un appareil de commutation qui comprend une partie de commutation et un mécanisme d'actionnement pour ouvrir et fermer la partie de commutation. Le mécanisme d'actionnement comprend une bobine annulaire mobile connectée à un arbre mobile et une bobine annulaire fixe en regard de la bobine mobile. Le diamètre interne, le diamètre externe et l'épaisseur de chaque bobine satisfont à au moins l'une des relations suivantes :(a) le diamètre externe est d'environ 5 - 15 fois l'épaisseur, et(b) le diamètre externe est d'environ 2 - 3 fois le diamètre interne.

Description

La présente demande est basée sur la demande de brevet japonais no 2000-315 188, déposée au Japon le 16 octobre 2000.

L'invention concerne un appareil de commutation qui utilise une répulsion électromagnétique pour régénérer une force d'entraînement afin de produire un mouvement relatif d'une paire de contacts les amenant en contact ou hors contact l'un avec l'autre pour fermer ou ouvrir un circuit électrique.

Les Fig. 10 et 11 sont des vues en élévation schématiques en coupe transversale partielle d'un appareil de commutation connu des inventeurs et qui est du type qui utilise une force de répulsion électromagnétique. Comme montré sur ces figures, l'appareil de commutation comprend une partie de commutation 3 qui peut ouvrir et fermer un circuit électrique, un arbre mobile 5 qui transmet une force d'entraînement pour ouvrir et fermer la partie de commutation 3, et un mécanisme d'actionnement 9 qui est entraîné par une source d'énergie électrique non illustrée et applique une force d'entraînement à l'arbre mobile 5 pour ouvrir et fermer la partie de commutation 3.

La partie de commutation 3 comprend un contact fixe 1 qui est fixé à une plaque de support 16 et un contact mobile 2 qui est disposé en regard du contact fixe 1. Pour obtenir de bonnes propriétés d'extinction d'arc pour la partie de commutation 3, les contacts 1 et 2 sont logés dans une chambre 4 placée sous vide. Une première borne 14 est connectée électriquement au

contact fixe 1 et une seconde borne 15 est connectée électriquement au contact mobile 2. La partie de commutation 3 peut être connectée électriquement à un circuit électrique externe par le biais de ces bornes 14 et 15.

L'arbre mobile 5 comprend une partie active 6 connectée au contact mobile 2 et une partie non active 7 connectée au mécanisme d'actionnement 9. La partie active 6 et la partie non active 7 sont connectées l'une à l'autre et isolées électriquement l'une de l'autre par une tige 8 isolante électriquement qui empêche le courant de s'écouler de la partie de commutation 3 au mécanisme d'actionnement 9.

Le mécanisme d'actionnement 9 comprend une bobine fixe d'ouverture de contacts 11 qui est fixée à une plaque de support stationnaire 17, une bobine fixe de fermeture de contacts 12 fixée à une autre plaque de support stationnaire, une bobine mobile 10 qui est fixée à l'arbre mobile 5 et est disposée entre la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12, et un ressort de sollicitation bidirectionnelle 13 qui est fixé à une plaque de support 19 et à la partie non active 7 de l'arbre mobile 5. L'arbre mobile 5 passe de manière lâche à travers la plaque de support 17 et la plaque de support 18 de telle sorte que la bobine mobile 10 puisse effectuer un mouvement de va-et-vient entre la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12. Le ressort de sollicitation 13 est un ressort non linéaire qui exerce une force de sollicitation qui change de sens en fonction de la position de l'arbre mobile 5. Lorsque l'arbre mobile 5 est dans la position relevée représentée sur la Fig. 10, le ressort de sollicitation 13 exerce une force de sollicitation ascendante sur l'arbre mobile 5 afin de maintenir les contacts de la partie de commutation 3 à l'état fermé et, lorsque l'arbre mobile 5 est dans la position abaissée représentée sur la Fig. 11, le ressort de sollicitation 13 exerce une force de sollicitation descendante sur l'arbre mobile 5 pour maintenir les contacts de la partie de commutation 3 dans un état ouvert.

La Fig. 12 est un schéma d'un exemple d'un circuit de commande 30 de l'appareil de commutation des Fig. 10 et 11. Le circuit de commande 30 comprend un dispositif de stockage d'énergie électrique d'ouverture de contacts 3 la, tel qu'un condensateur, qui stocke de l'énergie électrique pour ouvrir les contacts, un dispositif de stockage d'énergie électrique de

fermeture de contacts 31b, tel qu'un autre condensateur, qui stocke de l'énergie électrique pour fermer les contacts, un commutateur d'ouverture de contacts 32a comprenant un élément semi-conducteur, tel qu'un thyristor, pour ouvrir les contacts, un commutateur de fermeture de contacts 32b comprenant également un élément semi-conducteur, tel qu'un thyristor, pour fermer les contacts, une diode d'ouverture de contacts 33a connectée entre la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 et la bobine mobile 10, une diode de fermeture de contacts 33b connectée entre la bobine fixe de fermeture de contacts 12 et la bobine mobile 10, et les diodes Dl, D2, D3 qui sont connectées en parallèle avec la bobine fixe d'ouverture de contacts 11, la bobine mobile 10 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12, respectivement, et qui libèrent l'énergie électromagnétique qui est stockée dans les bobines correspondantes. Au cours de l'utilisation de l'appareil de commutation, de l'énergie électrique est délivrée aux dispositifs de stockage d'énergie électrique 3 la et 31b par une source d'alimentation continue 34 connectée comme montré sur la figure.

On expliquera à présent l'opération d'ouverture de contacts. Lorsque l'appareil de commutation est dans l'état de contact fermé représenté sur la Fig. 10, si le commutateur d'ouverture de contacts 32a de la Fig. 12 est mis en marche, une impulsion de courant s'écoule du dispositif de stockage d'énergie électrique d'ouverture de contacts 3 la à la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 via le commutateur d'ouverture de contacts 32a et un champ magnétique est généré. En même temps, une impulsion de courant s'écoule à travers la diode d'ouverture de contacts 33a jusqu'à la bobine mobile 10 et un champ magnétique ayant le sens opposé à celui du champ magnétique généré dans la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 est généré dans la bobine mobile 10. En raison de l'interaction entre le champ magnétique généré dans les deux bobines 10 et 11, une force de répulsion est générée, la bobine mobile 10 est poussée vers le bas sur la Fig. 10, l'arbre mobile 5 qui est fixé à la bobine mobile 10 est également poussé vers le bas, et les contacts de la partie de commutation 3 sont ouverts.

On expliquera à présent l'opération de fermeture de contacts.

Lorsque l'appareil de commutation est dans l'état de contact ouvert représenté sur la Fig. 11, si le commutateur de fermeture de contacts 32b de la Fig. 12 est mis en marche, une impulsion de courant s'écoule du dispositif

de stockage d'énergie électrique de fermeture de contacts 31b à la bobine fixe de fermeture de contacts 12 via le commutateur de fermeture de contacts 32b et un champ magnétique est généré par cette bobine 12. En même temps, une impulsion de courant s'écoule à travers la diode de fermeture de contact 33b jusqu'à la bobine mobile 10 et un champ magnétique ayant le sens opposé au champ magnétique gêneré par la bobine fixe de fermeture de contacts 12 est généré par la bobine mobile 10. En raison de l'interaction des champs magnétiques générés par deux bobines, une force de répulsion est générée, la bobine mobile 10 est poussée vers le haut sur la figure, l'arbre mobile 5 fixé à la bobine mobile 10 est également poussé vers le haut et les contacts de la partie de commutation 3 sont fermés.

Comme décrit ci-dessus, l'appareil de commutation des Fig. 10 et 11 effectue l'opération de commutation en utilisant l'effet de répulsion électromagnétique entre des bobines. Pour utiliser efficacement une énergie limitée et pour augmenter la sécurité de l'équipement recevant l'énergie, la nécessité d'un appareil de commutation qui puisse générer efficacement des forces de répulsion électromagnétiques, qui puisse fonctionner à vitesse élevée tout en utilisant peu d'énergie et qui puisse effectuer une commutation avec certitude est devenue de plus en plus grande.

Un objet de la présente invention vise un appareil de commutation qui a une efficacité élevée, une fiabilité élevée et une bonne stabilité.

Selon une forme de réalisation de la présente invention, un appareil de commutation comprend une partie de commutation ayant un contact fixe et un contact mobile qui peut se déplacer par rapport au contact fixe entre une position ouverte et une position fermée afin d'ouvrir et de fermer la partie de commutation, un arbre mobile connecté selon une liaison motrice au contact mobile, et un mécanisme d'actionnement connecté selon une liaison motrice à l'arbre mobile et déplaçant l'arbre mobile pour ouvrir et fermer la partie de commutation. Le mécanisme d'actionnement comprend une bobine annulaire mobile fixée à l'arbre mobile et une bobine annulaire fixe en regard de la bobine mobile. Chaque bobine a un diamètre interne, un diamètre externe et une épaisseur qui répondent au moins à l'une des relations suivantes : (a) le diamètre externe est d'environ 5-15 fois l'épaisseur, et

(b) le diamètre externe est d'environ 2-3 fois son diamètre intérieur.

Dans une forme de réalisation préférée, les deux relations (a) et (b) sont satisfaites.

Une ou plusieurs des bobines peuvent être équipées d'un noyau ferromagnétique pour renforcer le champ magnétique généré par la bobine.

De préférence, le noyau a une surface en coupe transversale longitudinale qui est d'au moins environ 25% et de moins de 100% de la surface en coupe transversale longitudinale de la bobine correspondante.

Dans un certain nombre de formes de réalisation préférées, le mécanisme d'actionnement comprend une première paire de bobines pour une opération d'ouverture de contacts et une seconde paire de bobines pour une opération de fermeture de contacts. Dans une forme de réalisation de la présente invention, les deux bobines de la première paire sont connectées en parallèle l'une avec l'autre, et les deux bobines de la seconde paire sont également connectées en parallèle l'une avec l'autre. Dans une autre forme de la présente invention, les deux bobines de la première paire sont connectées en parallèle l'une avec l'autre, tandis que les deux bobines de la seconde paire sont connectée en série l'une avec l'autre.

Dans une forme de réalisation préférée, la bobine mobile est disposée entre deux bobines fixes et est fixée sur sa périphérie à un châssis mobile qui est connecté à l'arbre mobile.

Dans une autre forme de réalisation préférée, le mécanisme d'actionnement comprend deux bobines mobiles montées sur l'arbre mobile sur les côtés opposés d'une bobine fixe.

La Fig. 1 est une vue en élévation schématique en coupe transversale partielle d'une première forme de réalisation d'un appareil de commutation selon la présente invention dans un état de contact fermé, la Fig. 2 est une vue en élévation schématique en coupe transversale partielle de la forme de réalisation de la Fig. 1 dans un état de contact ouvert, la Fig. 3 est une vue en coupe transversale à plus grande échelle de la bobine mobile de la forme de réalisation de la Fig. 1 réalisée dans un plan contenant l'axe longitudinal de la bobine mobile,

la Fig. 4 est un graphique représentant la relation entre la force de répulsion électromagnétique F et le rapport du diamètre extérieur 1 à l'épaisseur h2 d'une bobine mobile, la Fig. 5 est un graphique représentant la relation, entre la force de répulsion électromagnétique F et le rapport du diamètre extérieur < j) j au diamètre intérieur +2 d'une bobine mobile, la Fig. 6 est une vue en élévation en coupe transversale à plus grande échelle d'une bobine mobile ayant un noyau ferromagnétique dans un plan contenant l'axe longitudinal de la bobine mobile, la Fig. 7 est un schéma d'un circuit de commande qui peut être utilisé dans un appareil de commutation selon la présente invention, la Fig. 8 est une vue en élévation schématique d'un mécanisme d'actionnement d'une deuxième forme de réalisation d'un appareil de commutation selon la présente invention, la Fig. 9 est une vue en élévation schématique d'un mécanisme d'actionnement d'une troisième forme de réalisation d'un appareil de commutation selon la présente invention, les Fig. 10 et 11 sont des vues en élévation schématique partiellement en coupe transversale d'un appareil de commutation connu des inventeurs dans un état de contact fermé et dans un état de contact ouvert, respectivement, et la Fig. 12 est un schéma d'un circuit de commande de l'appareil de commutation des Fig. 10 et 11.

Les Fig. 1 et 2 sont des vues en élévation schématique en coupe transversale partielle d'une première forme de réalisation d'un appareil de commutation selon la présente invention. La Fig. 1 représente l'appareil de commutation dans un état de contact fermé et la Fig. 2 le représente dans un état de contact ouvert. Comme le dispositif de commutation des Fig. 10 et 11, cette forme de réalisation comprend une partie de commutation 3 qui peut ouvrir et fermer un circuit électrique, un arbre mobile 5 qui transmet une force d'entraînement à la partie de commutation 3 et un mécanisme d'actionnement 9 qui est entraîné par une source d'énergie électrique non illustrée et applique une force d'entraînement à l'arbre mobile 5 pour ouvrir et fermer la partie de commutation 3.

La partie de commutation 3 a un contact fixe 1 qui est fixé à une plaque de support 16 qui fait partie d'un châssis extérieur de l'appareil de commutation, et un contact mobile 2 qui est disposé à l'opposé du contact fixe 1. Une première borne 14 est connectée électriquement au contact fixe 1 et une seconde borne 15 est connectée électriquement au contact mobile 2. La première et la seconde bornes 14 et 15 permettent de connecter électriquement la partie de commutation 3 à un circuit électrique externe.

L'électrode mobile 2 peut se déplacer dans la direction verticale de la Fig. 1 pour venir en contact avec l'électrode fixe 1 et s'en séparer et effectuer une fermeture ou une ouverture des contacts de la partie de commutation 3.

L'arbre mobile 5 comprend une partie active 6 connectée au contact mobile 2 et une partie non active 7 connectée au mécanisme d'actionnement 8. La partie active 6 et la partie non active 7 sont connectées l'une à l'autre et isolées électriquement l'une de l'autre par une tige d'isolation électrique 8 qui empêche le courant de s'écouler de la partie de commutation 3 au mécanisme d'actionnement 9.

Le mécanisme d'actionnement 9 comprend une bobine fixe d'ouverture de contacts 11 fixée à une plaque de support stationnaire 17 à travers laquelle l'arbre mobile 5 passe de manière lâche, une bobine fixe de fermeture de contacts 12 fixée à une plaque de support stationnaire 18 à travers laquelle l'arbre mobile 5 passe également de manière lâche, une bobine mobile 10 qui est disposée entre la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12 et qui est fixée à l'arbre mobile 5, et un ressort de sollicitation 13 qui est fixé à une plaque de support 19 et à l'arbre mobile 5. La Fig. 3 est une vue en élévation en coupe transversale à plus grande échelle de la bobine mobile 10. Comme montré sur cette figure, la bobine mobile 10 est un anneau plat (un anneau ayant un diamètre extérieur plus grand que son épaisseur) avec une forme en coupe transversale longitudinale approximativement rectangulaire. Dans cette

forme de réalisation, le diamètre externe 1 de la bobine mobile 10 est de préférence d'environ 9-11 fois son épaisseur h2. En outre, son diamètre externe ()) i est de préférence environ 2-3 fois son diamètre interne < }) 2. La bobine mobile 10 peut être disposée dans un boîtier 40 d'un matériau non magnétique de résistance élevée, tel qu'un acier inoxydable non magnétique, et supportée par ce boîtier. La bobine fixe d'ouverture de contacts 11 et la

bobine fixe de fermeture de contacts 12 ont de préférence la même forme que la bobine mobile 10.

Le ressort de sollicitation 13 est un ressort non linéaire qui change le sens dans lequel il exerce une force de sollicitation en fonction de la position de l'arbre mobile 5. Lorsque l'appareil de commutation est dans un état de contact fermé, le ressort de sollicitation 13 exerce une force de sollicitation sur l'arbre mobile 5 dans le sens d'une fermeture de contact (vers le haut sur la Fig. 1) et, lorsque l'appareil de commutation est dans un état de contact ouvert, le ressort de sollicitation 13 exerce une force de sollicitation dans le sens d'ouverture des contacts (vers le bas sur la figure).

On expliquera à présent l'opération d'ouverture de contacts de cette forme de réalisation. Lorsque l'appareil de commutation se trouve dans l'état de contact fermé représenté sur la Fig. 1, si une impulsion de courant est délivrée à la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 et à la bobine mobile 10 par une source d'alimentation non illustrée, chaque bobine Il et 10 génère un champ magnétique. Les bobines 10 et Il sont écartées l'une de l'autre par des forces de répulsion électromagnétiques produites par l'interaction des champs magnétiques et la bobine mobile 10 est poussée rapidement vers le bas sur la figure par les forces de répulsion électromagnétiques, tout comme l'arbre mobile 5 qui est fixé à la bobine mobile 10. Le mouvement descendant de l'arbre mobile 5 sépare le contact mobile 2 du contact fixe 1 pour ouvrir la partie de commutation 3. Lorsque l'arbre mobile 5 se déplace vers le bas au-delà d'un point prescrit, le ressort de sollicitation 13 est inversé et le sens dans lequel il applique une force de sollicitation à l'arbre mobile 5 change vers le bas sur la figure pour maintenir l'état de contact ouvert représenté sur la Fig. 2.

On expliquera à présent l'opération de fermeture de contacts.

Lorsque l'appareil de commutation est dans l'état de contact ouvert représenté sur la Fig. 2, si une impulsion de courant est délivrée à la bobine fixe de fermeture de contacts 12 et à la bobine mobile 10, les bobines 12 et 10 génèrent des champs magnétiques. Les bobines 10 et 12 sont écartées l'une de l'autre par des forces de répulsion électromagnétiques résultant de l'interaction des champs magnétiques, et la bobine mobile 10 est poussée rapidement vers le haut sur la figure, tout comme l'arbre mobile 5 qui est fixé à la bobine mobile 10. Lorsque l'arbre mobile 5 se déplace vers le haut

au-delà d'un point prescrit, le ressort de sollicitation 13 est inversé et le sens dans lequel il applique une force de sollicitation à l'arbre mobile 5 change vers le haut sur la figure. Le mouvement ascendant de l'arbre mobile 5 amène le contact mobile 2 en contact avec le contact fixe 1 pour fermer la partie de commutation 3. L'état de contact fermé représenté sur la Fig. 1 est maintenu par la force ascendante exercée par le ressort de sollicitation 13.

Comme décrit ci-dessus, la forme de réalisation de la Fig. 1 effectue une commutation en utilisant des forces de répulsion électromagnétiques produites par des champs magnétiques générés par les bobines 10-12. Les forces de répulsion électromagnétiques dépendent de la grandeur du champ magnétique central H des bobines. En conséquence, en élucidant la relation entre le champ magnétique central H et la forme des bobines, on peut obtenir un appareil de commutation ayant une structure qui peut effectuer efficacement une opération de commutation.

Le champ magnétique central H d'une bobine à solénoïde, telle que celle représentée sur la Fig. 3, est en général exprimé par la formule :

H = NI/2 (brrr2) [log { (ruz + i (rl2 + h2'/4))/ (r2 + (r + h22/4))}]

dans laquelle NI est la force magnétomotrice, ri est le rayon externe de la bobine et est égal à flan12 (+1 est le diamètre externe), r2 est le rayon interne de la bobine et est égal à (2/2 ( est le diamètre interne) et h2 est l'épaisseur de la bobine.

A partir de cette formule, on peut constater que le diamètre externe de la bobine fil, le diamètre intérieur de la bobine et l'épaisseur de la bobine h2 sont apparentés les uns aux autres. En conséquence, si le diamètre externe fil, le diamètre interne ( et l'épaisseur h2 sont optimisés de telle sorte que le champ magnétique central H soit à un maximum, théoriquement on peut obtenir une bobine à solénoïde ayant une forme qui génère très efficacement une force de répulsion électromagnétique.

Cependant, le champ magnétique qui est généré par une bobine est largement dispersé sur la section transversale de la bobine et, dans la pratique réelle, il ne peut se conformer à la relation décrite ci-dessus si bien qu'il est nécessaire de déterminer la forme optimale d'une bobine réelle en prenant en considération les conditions au cours d'un usage réel.

En considérant les conditions au cours d'un usage réel et en analysant le champ magnétique réel, on a découvert la relation entre le diamètre externe fil, le diamètre interne #2, l'épaisseur h2 et la force de répulsion électromagnétique F illustrée sur les Fig. 4 et 5. Comme montré

sur la Fig. 4, lorsque le diamètre externe ()) i est inférieur à environ 5 fois l'épaisseur h2, il se produit une réduction brusque de la force de répulsion électromagnétique. D'autre part, si le diamètre externe ()) 1 est supérieur à environ 15 fois l'épaisseur h2, la bobine devient trop plate et la région du champ magnétique le plus intense s'étale vers la périphérie externe de la bobine, si bien que les lignes de force magnétiques ne s'incurvent pas autour de la bobine opposée. En conséquence, on peut efficacement générer une force de répulsion électromagnétique lorsque le diamètre externe fil est approximativement de 5-15 fois l'épaisseur hz. En particulier, on a découvert qu'un effet notable était obtenu lorsque le diamètre externe était d'environ 9-11 l'épaisseur.

Par ailleurs, comme montré sur la Fig. 5, on a découvert que, lorsque le diamètre externe #1 d'une bobine était inférieur à environ 2 fois son diamètre interne #2, il y avait une réduction brusque de la force de

répulsion électromagnétique. En outre, lorsque le diamètre externe 1 est plus important d'environ trois fois le diamètre interne (2, pour les raisons décrites ci-dessus, le champ magnétique s'étale vers le côté extérieur de la bobine et les lignes de force magnétiques sont aisément diffusées. En conséquence, on a découvert que, si le diamètre externe #1 est approximativement de 2-3 fois le diamètre interne #2, on peut obtenir une bobine qui peut efficacement générer une force de répulsion électromagnétique.

En conséquence, pour générer efficacement une force de répulsion électromagnétique, chacune des bobines 10-12 de la forme de réalisation de la Fig. 1 a de préférence un diamètre externe fil qui sera approximativement de 5-15 fois son épaisseur h2 et d'environ 2-3 son diamètre interne ()) 2.

Si le diamètre externe #1 est approximativement de 5-15 fois l'épaisseur h2, on peut générer efficacement une force de répulsion

électromagnétique si bien que le diamètre externe (}) i pourra se trouver en dehors de la plage d'environ 2-3 fois le diamètre l'

De la même manière, si le diamètre externe f l est approximativement de 2-3 fois le diamètre interne z, on peut efficacement générer une force électromagnétique si bien que le diamètre externe pourra se situer en dehors de la plage d'environ 5-15 fois l'épaisseur h2.

La Fig. 6 est une vue en élévation et en coupe transversale d'un autre exemple d'une bobine mobile 10 que l'on peut utiliser dans la forme de réalisation de la Fig. 1. La bobine mobile 10 de la Fig. 6 est équipée d'un noyau ferromagnétique 20 disposé sur le côté radial interne de la bobine mobile 10 et logé dans un boîtier 40 avec la bobine mobile 10. Les bobines fixes 11 et 12 peuvent être équipées d'un noyau ferromagnétique similaire. Dans cet exemple, la surface en coupe transversale du noyau ferromagnétique 20 mesurée dans un plan contenant l'axe de l'arbre mobile 5 (qui coïncide avec les axes longitudinaux de la bobine mobile 10 et du noyau 20), est de préférence d'environ 25% la surface en coupe transversale de la bobine mobile 10 mesurée dans le même plan. De la même manière, la surface en coupe transversale d'un noyau ferromagnétique pour chaque bobine fixe 11 et 12 est de préférence d'environ 25% la surface en coupe transversale de la bobine fixe correspondante.

Il est courant de disposer un noyau ferromagnétique à l'intérieur d'une bobine afin d'augmenter la densité du flux magnétique. Un noyau ferromagnétique est de préférence assez grand par rapport au noyau dans lequel il est installé pour ne pas subir de saturation magnétique, car, une fois que la saturation magnétique se produit, d'autres augmentations du champ magnétique d'excitation généré par la bobine ne produisent sensiblement pas d'augmentation de la densité du flux magnétique et entraînent une perte d'énergie électrique du courant s'écoulant à travers la bobine.

Par ailleurs, si la bobine ferromagnétique est trop importante par rapport au noyau dans lequel elle est installée, l'auto-inductance de la bobine devient importante si bien que, lorsqu'une impulsion de courant est appliquée à la bobine au cours d'une opération de commutation, la vitesse à laquelle le courant à l'intérieur de la bobine augmente est ralentie, la génération d'un champ magnétique par la bobine est ralentie de manière correspondante et, de fait, la vitesse de réaction de l'opération de commutation devient lente.

En conséquence, un noyau ferromagnétique a de préférence une taille par rapport à une bobine dans laquelle il est installé qui est assez grande pour empêcher une saturation magnétique, mais pas assez grande pour produire une grande augmentation de l'auto-inductance de la bobine.

Par suite d'une analyse de la distribution de la densité du flux magnétique dans un noyau ferromagnétique au cours de conditions opératoires réelles, on a constaté que la saturation magnétique pouvait être empêchée et, en même temps que la self-inductance de la bobine entourant le noyau pouvait être maintenue à un faible niveau en faisant en sorte que la surface en coupe transversale du noyau ferromagnétique dans un plan contenant l'axe longitudinal de l'arbre mobile 5 constitue environ 25% de la surface en coupe transversale dans le même plan de la bobine qui entoure le noyau.

Le rapport de la surface en coupe transversale du noyau magnétique à celle de la bobine qui l'entoure n'est pas limité à 25% et pourrait être n'importe quelle valeur d'au moins 25% et de moins de 100% qui pourrait empêcher l'apparition d'une saturation magnétique.

Les formes des noyaux ne doivent pas nécessairement être comme décrit ci-dessus et la saturation magnétique peut être empêchée si un noyau ferromagnétique est installé dans une bobine ayant une forme plate avec une faible distance de centre à centre entre les bobines et si la surface en coupe transversale du noyau ferromagnétique est d'environ 25% de la surface en coupe transversale de la bobine dans laquelle il est installé.

Un appareil de commutation selon la présente invention peut comprendre un circuit de commande pour commander son fonctionnement. Un circuit de commande n'est pas limité à une structure particulière. Par exemple, un circuit analogue à celui illustré sur la Fig. 12 peut être utilisé.

La Fig. 7 illustre un autre exemple d'un circuit de commande 40 qui peut être utilisé dans la présente invention. Ce circuit 40 sera décrit dans le cas où il est utilisé pour commander la forme de réalisation de la Fig. 1. La structure globale de ce circuit de commande 40 est similaire à celle du circuit de commande 30 de la Fig. 12, mais les deux circuits 30 et 40 différent en ce qui concerne la manière dont les bobines 10-12 sont connectées électriquement l'une à l'autre. Le circuit de commande 30 de la Fig. 12 comprend une paire de bobines pour l'ouverture de contacts (la bobine mobile 10 et la bobine fixe d'ouverture de contacts 11) qui sont

connectées l'une à l'autre en parallèle, et une paire de bobines pour la fermeture de contacts (la bobine mobile 10 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12) qui sont également connectées l'une à l'autre en parallèle. Par contre, le circuit de commande 40 de la Fig. 7 comprend une paire de bobines pour l'ouverture de contacts (la bobine mobile 10 et la bobine fixe d'ouverture de contacts 11) qui sont connectées l'une à l'autre en parallèle, et une paire de bobines pour la fermeture de contacts (la bobine mobile 10 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12) qui sont également connectées l'une à l'autre en série. Le circuit de commande 40 comprend un dispositif de stockage d'énergie électrique d'ouverture de contacts 41 a, tel qu'un condensateur, qui stocke l'énergie électrique pour l'ouverture de contacts, un dispositif de stockage d'énergie électrique de fermeture de contacts 41b, tel qu'un autre condensateur, qui stocke de l'énergie électrique pour la fermeture de contacts, un commutateur d'ouverture de contacts 42a comprenant un élément semi-conducteur, tel qu'un thyristor, pour l'ouverture des contacts, un commutateur de fermeture de contacts 42b comprenant également un élément semi-conducteur, tel qu'un thyristor, pour la fermeture de contacts et une diode d'ouverture de contacts 43a connectée entre la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 et la bobine mobile 10. Au cours de l'utilisation de l'appareil de commutation, de l'énergie électrique est délivrée aux dispositifs de stockage d'énergie électrique 4 la et 41b par une source d'alimentation continue 44 connectée comme montré sur la figure.

Pour effectuer une opération d'ouverture de contacts, lorsque l'appareil de commutation est dans l'état de contact fermé représenté sur la Fig. 1, le commutateur d'ouverture de contacts 42a de la Fig. 7 est mis en marche et une impulsion de courant s'écoule du dispositif de stockage d'énergie électrique d'ouverture de contacts 41a à la bobine d'ouverture de contacts 11 via le commutateur d'ouverture de contacts 42a, et un champ magnétique est généré par la bobine fixe d'ouverture de contacts 11. En même temps, une impulsion de courant s'écoule de la diode d'ouverture de contacts 43a vers la bobine mobile 10, qui génère un champ magnétique ayant un sens tel que la bobine mobile 10 et la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 se repoussent l'une l'autre et forcent la bobine mobile 10 vers le bas sur la Fig. 1 pour effectuer l'ouverture de contacts, comme décrit précédemment.

Pour effectuer une opération de fermeture de contacts, lorsque l'appareil de commutation est dans l'état de contact ouvert représenté sur la Fig. 2, le commutateur de fermeture de contacts 42b de la Fig. 7 est mis en marche et une impulsion de courant pulsé s'écoule du dispositif de stockage d'énergie électrique de fermeture de contacts 41b à la bobine mobile 10 et à la bobine fixe de fermeture de contacts 12 via le commutateur de fermeture de contacts 42b, et les deux bobines 10 et 12 génèrent des champs magnétiques qui les repoussent l'une de l'autre et poussent la bobine mobile 10 vers le haut pour fermer la partie de commutation 3.

Le circuit de commande 40 de la Fig. 7 peut être modélisé sous la forme de deux circuits RLC différents. Le premier circuit RLC, qui est utilisé pour l'opération d'ouverture de contacts, comprend la bobine mobile 10 et la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 connectées en parallèle. Le second circuit R LC, qui est utilisé pour l'opération de fermeture de contacts, comprend la bobine mobile 10 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12 connectées en série. Si chacune des bobines 10-12 a une inductance L et une résistance R, les bobines 10 et 11 du premier circuit RLC, étant connectées en parallèle, ont une inductance combinée de L/2 et une résistance combinée de R/2. Par contre, comme les bobines 10 et 12 du second circuit sont connectées en série, elles ont une inductance combinée de 2L et une résistance de 2R.

Comme les bobines 10 et 11 ont une inductance combinée de seulement L/2 et une résistance combinée de seulement R/2, lorsqu'une impulsion de courant est délivrée à ces bobines 10 et 11, le courant de ces bobines augmente rapidement et le courant devient important, si bien qu'une grande force de répulsion électromagnétique est rapidement générée au cours de l'opération d'ouverture de contacts lorsqu'une sensibilité à vitesse élevée est nécessaire, et une opération d'ouverture de contacts avec une bonne vitesse de réaction peut être réalisée avec certitude.

Par ailleurs, au cours de l'opération de fermeture de contacts, il est souhaitable de réduire les impacts entre les contacts 1 et 2 de la partie de commutation 3 afin de les empêcher de s'endommager. En conséquence, si la bobine mobile 10 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12 sont connectées en série de manière à avoir une inductance combinée de 2L et une résistance combinée de 2R, par suite, lorsqu'une impulsion de courant

est délivrée à ces bobines 10 et 12, le courant augmente dans ces bobines lentement en comparaison de la vitesse au cours de l'opération d'ouverture de contacts, le temps de conduction des bobines est prolongé et on empêche un endommagement de la partie de commutation 3, ce qui a pour effet d'augmenter la fiabilité et la durée de vie de l'appareil de commutation.

La Fig. 8 est une vue en élévation schématique d'un mécanisme d'actionnement d'une deuxième forme de réalisation d'un appareil de commutation selon la présente invention. Dans cette forme de réalisation, un châssis périphérique externe 50 qui est fixé aux deux côtés de la bobine mobile 10 est assujetti à l'arbre mobile 5 de manière à recouvrir la bobine fixe d'ouverture de contacts 11. La bobine mobile 10 et le châssis périphérique externe 50 se déplacent ensemble avec l'arbre mobile 5 dans la direction axiale de l'arbre mobile 5 si bien que la bobine mobile 10 peut effectuer un mouvement de va-et-vient entre la bobine fixe d'ouverture de contacts 11 et la bobine fixe de fermeture de contacts 12. Autrement la structure de cette forme de réalisation est la même que celle de la forme de réalisation de la Fig. 1 et l'ouverture et la fermeture des contacts sont effectuées de la même manière que décrit en se référant à cette forme de réalisation. Cette forme de réalisation peut être commandée par un circuit de commande tel qu'illustré sur la Fig. 7 ou la Fig. 12, par exemple.

Avec cette structure, lorsque la bobine mobile 10 est supportée par le châssis périphérique externe 50 sur sa périphérie externe, les contraintes peuvent être plus uniformément distribuées sur la surface de la bobine mobile 10, ce qui lui donne une plus grande résistance aux chocs.

La Fig. 9 est une vue en élévation schématique d'un mécanisme d'actionnement d'une troisième forme de réalisation d'un appareil de commutation selon la présente invention. Dans cette forme de réalisation, une bobine fixe unique 21 à la fois pour l'ouverture et la fermeture de contacts est fixée à un élément de support de châssis externe 51 de l'appareil de commutation. Une bobine mobile d'ouverture de contacts 10a est disposée en regard de la surface inférieure de la bobine fixe 21 et une bobine mobile de fermeture de contacts lOb est disposée en regard de la surface supérieure de la bobine fixe 21. Les deux bobines mobiles 10a et 1 Ob sont fixées à l'arbre mobile 5. En fait, dans cette forme de réalisation, la bobine fixe 21 est fixée à l'élément de support du châssis extérieur 51 entre

les deux bobines mobiles 10a et lOb. Autrement la structure de cette forme de réalisation est la même que celle de la forme de réalisation de la Fig. 1 et les opération d'ouverture et de fermeture sont effectuées de la même manière que dans cette forme de réalisation. Le circuit de commande de la Fig. 7 ou de la Fig. 12 peut être aisément modifié pour un usage avec cette forme de réalisation de telle sorte que la bobine mobile d'ouverture de contacts 10a et la bobine fixe 21 reçoivent une impulsion de courant au cours de l'opération d'ouverture de contacts et de telle sorte que la bobine mobile de fermeture de contacts lOb et la bobine fixe 21 soient alimentées par une impulsion de courant au cours de l'opération de fermeture de contacts.

Dans cette forme de réalisation, chaque bobine mobile 10a et lOb n'a qu'un côté qui est en regard de la bobine fixe 21. Comme de l'espace est disponible sur le côté opposé de chaque bobine mobile 10a et lOb, il est prévu un élément de renfort sur ce côté (le côté inférieur de la bobine mobile d'ouverture de contacts 10a et le côté supérieur de la bobine mobile de fermeture de contacts lOb) pour renforcer les bobines mobiles et augmenter leur résistance aux chocs et aux forces d'inertie sans affecter la distance de centre à centre entre les bobines mobiles 1 Oa et 1 Ob et la bobine fixe 21 et, par suite, sans affecter l'intensité des forces de répulsion électromagnétiques générées par les bobines lofa, lOb et 21 au cours de l'opération de commutation.

Comme cela ressort de la description précitée, la présente invention peut apporter des avantages tels que les suivants : (1) en choisissant de manière appropriée la géométrie des bobines opposées d'un mécanisme d'actionnement, on peut obtenir un appareil de commutation qui génère efficacement une force de répulsion électromagnétique et réduit les pertes d'énergie.

(2) Dans une forme de l'invention, une bobine mobile et une bobine fixe du mécanisme d'actionnement ont chacune un diamètre externe qui est 5-15 fois l'épaisseur de la bobine. En conséquence, on peut obtenir un appareil de commutation qui a une forme de bobine qui génère efficacement une force de répulsion électromagnétique et réduit les pertes d'énergie.

(3) Dans une forme de l'invention, une bobine mobile et une bobine fixe du mécanisme d'actionnement ont chacune un diamètre externe qui est 2-3 fois le diamètre interne de la bobine. En conséquence, on peut obtenir un appareil de commutation qui a une forme de bobine qui génère efficacement une force de répulsion électromagnétique et réduit les pertes d'énergie.

(4) Dans une autre forme de l'invention, une bobine mobile et une bobine fixe sont chacune équipées d'un noyau ferromagnétique disposé sur le côté radial interne de la bobine. Le noyau a de préférence une surface en coupe transversale qui est au moins de
25% et de moins de 100% de la surface en coupe transversale de la bobine correspondante. En conséquence, on peut obtenir un appareil de commutation qui empêche une saturation magnétique du noyau ferromagnétique, ce qui permet de focaliser efficacement les champs magnétiques qui sont générés par la bobine et qui génère une force de répulsion électromagnétique importante.

(5) Dans une forme de réalisation de l'invention, le mécanisme d'actionnement comprend une première paire de bobines pour l'ouverture des contacts connectées en parallèle l'une avec l'autre, et une seconde paire de bobines pour une fermeture des contacts, connectées en série l'une avec l'autre. En conséquence, on peut obtenir un appareil de commutation qui génère une force de répulsion électromagnétique importante au cours de l'opération d'ouverture des contacts lorsqu'une opération à vitesse élevée est nécessaire et qui réduit la force de répulsion électromagnétique au cours de l'opération de fermeture de contacts afin d'empêcher un endommagement provoqué par un impact entre les contacts d'une partie de commutation.

(6) Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le mécanisme d'actionnement comprend une première paire de bobines pour l'ouverture de contacts connectées en parallèle l'une avec l'autre, et une seconde paire de bobines pour la fermeture de contacts connectées en parallèle l'une avec l'autre. En conséquence, on peut obtenir un appareil de commutation qui effectue une opération de

commutation avec une bonne sensibilité à la fois au cours de l'ouverture et de la fermeture de contacts.

(7) Dans une forme de réalisation préférée, une bobine mobile est disposée entre deux bobines fixes et est fixée à un châssis périphérique externe qui est solidarisé à un arbre mobile. En conséquence, on peut obtenir un appareil de commutation dans lequel la bobine mobile est supportée sur une grande surface si bien que les forces d'impacts sont dispersées et dans laquelle la rigidité de la bobine mobile est augmentée.

(8) Dans une autre forme de réalisation préférée, une bobine fixe est disposée entre deux bobines mobiles qui sont fixées à un arbre mobile. En conséquence, la rigidité des bobines mobiles peut être augmentée en assurant un renfort sur les côtés des bobines mobiles opposés à la bobine fixe sans affecter la séparation entre les bobines et sans réduire la force électromagnétique générée par les bobines.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil de commutation comprenant : une partie de commutation (3) ayant un contact fixe (1) et un contact mobile (2) qui peut se déplacer par rapport au contact fixe (1) entre une position ouverte et une position fermée pour ouvrir et fermer la partie de commutation (3) ; un arbre mobile (5) connecté selon une liaison motrice au contact mobile (2) ; et un mécanisme d'actionnement (9) connecté selon une liaison motrice à l'arbre mobile (5) et déplaçant l'arbre mobile (5) pour ouvrir et fermer la partie de commutation (3) et comprenant une bobine annulaire mobile fixée à l'arbre mobile et une bobine annulaire fixe en regard de la bobine mobile (10), chaque bobine ayant un diamètre interne, un diamètre externe et une épaisseur qui répondent à au moins l'une des relations suivantes : (a) le diamètre externe est d'environ 5-15 fois l'épaisseur, et (b) le diamètre externe est d'environ 2-3 fois le diamètre interne.

2. Appareil de commutation selon la revendication 1, dans lequel chaque bobine est disposée autour d'un noyau ferromagnétique correspondant ayant une surface en coupe transversale longitudinale qui est d'au moins environ 25% et de moins de 100% de la surface en coupe transversale longitudinale de la bobine correspondante.

3. Appareil de commutation selon la revendication 1, dans lequel le mécanisme d'actionnement comprend une première paire de bobines pour une opération d'ouverture de contacts connectées en parallèle l'une avec l'autre et une seconde paire de bobines pour une opération de fermeture de contacts connectées en série l'une avec l'autre.

4. Appareil de commutation selon la revendication 1, dans lequel le mécanisme d'actionnement comprend une première paire de bobines pour une opération d'ouverture de contacts connectées en parallèle l'une avec l'autre et une seconde paire de bobines pour une opération de fermeture de contacts connectées en parallèle l'une avec l'autre.

5. Appareil de commutation selon la revendication 1, dans lequel le mécanisme d'actionnement comprend une première et une seconde bobines

fixes disposées sur les côtés opposés de la bobine mobile et un châssis périphérique externe connecté entre l'arbre mobile et une périphérie externe de la bobine mobile.

6. Appareil de commutation selon la revendication 1, dans lequel le mécanisme d'actionnement comprend une première et une seconde bobines mobiles montées sur l'arbre mobile sur les côtés opposés de la bobine fixe.