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EP0301935B1 - Déclencheur électromagnétique à haute sensibilité et son procédé de fabrication - Google Patents

Déclencheur électromagnétique à haute sensibilité et son procédé de fabrication Download PDF

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Publication number
EP0301935B1
EP0301935B1 EP19880401806 EP88401806A EP0301935B1 EP 0301935 B1 EP0301935 B1 EP 0301935B1 EP 19880401806 EP19880401806 EP 19880401806 EP 88401806 A EP88401806 A EP 88401806A EP 0301935 B1 EP0301935 B1 EP 0301935B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microns
nickel
armature
polar
magnetic circuit
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP19880401806
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0301935A1 (fr
Inventor
Marie-Sylvie Mermet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Merlin Gerin SA
Original Assignee
Merlin Gerin SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Merlin Gerin SA filed Critical Merlin Gerin SA
Publication of EP0301935A1 publication Critical patent/EP0301935A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0301935B1 publication Critical patent/EP0301935B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/16—Magnetic circuit arrangements
    • H01H50/163—Details concerning air-gaps, e.g. anti-remanence, damping, anti-corrosion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/32—Electromagnetic mechanisms having permanently magnetised part
    • H01H71/327—Manufacturing or calibrating methods, e.g. air gap treatments

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a high sensitivity electromagnetic trip device, according to the preamble of claim 1.
  • Triggers of the kind mentioned must be reliable and operate at thresholds independent of ambient conditions, in particular humid heat, which can cause corrosion between iron and nickel forming iron oxides and hydroxides which lead either to untimely triggering or to sticking of the pallet.
  • High sensitivity trip units are generally incorporated in personal protection switches or circuit breakers and any malfunction is intolerable.
  • Document FR-A-2.412.159 discloses a method for producing a high-sensitivity trigger having the characteristics of the preamble of claim 1, in which at least one of the pole surfaces is coated with a layer of '' a thickness less than or equal to 1 ⁇ m producing a lubricating effect and avoiding any wear by friction. This layer coats the weak asperities which can no longer break, but it does not provide protection against corrosion.
  • document FR-A-2,412,159 disclosed a high sensitivity trigger having the characteristics of the preamble of claim 7.
  • the object of the present invention is to allow the production of a high sensitivity trigger with correct operation in humid heat and this object is achieved by implementing the features of claim 1.
  • the polar surface of the frame and that of the pallet receive the same finish, in this case a mechanical treatment, for example of polishing with suitable tools or abrasive materials, revealing a surface condition with a roughness 0.03 ⁇ Ra ⁇ 0.5 ⁇ m and thereafter a protective coating with a thickness close to or less than 1 ⁇ m, which keeps the peaks and the profile at 0.03 ⁇ Ra ⁇ 0.5 ⁇ m.
  • the good behavior of the triggers according to the invention comes on the one hand from the point contacts between the two pole surfaces via the peaks of the surfaces (and not through zones) and, on the other hand through the protective coating which prevents any initiation or extension of local corrosion likely to occur at the points of contact of the two pole surfaces.
  • the small air gap is retained as well as the high sensitivity.
  • the protective coating can be made of different materials and can be obtained in different ways. In all cases, it must be thin, homogeneous, almost non-porous, clean and adherent.
  • the polar surface is covered with a nickel oxide compound which can be obtained by electrolytic polishing, the latter leading to a nickel enrichment of the surface, which oxidizes in presence of air, or by physical or chemical deposition under vacuum of nickel, of a thickness less than or equal to 1 ⁇ m, which oxidizes in the same way.
  • a nickel oxide compound which can be obtained by electrolytic polishing, the latter leading to a nickel enrichment of the surface, which oxidizes in presence of air, or by physical or chemical deposition under vacuum of nickel, of a thickness less than or equal to 1 ⁇ m, which oxidizes in the same way.
  • Document DE-A-2,541,392 describes an electromagnet with a plunger core, the polar guide surfaces of the core and the surface of the core being coated with a layer of nickel or chromium resistant to corrosion and wear .
  • the thickness of the layer is 15 ⁇ m.
  • the protective layer can be a nitride, in particular a titanium nitride, a carbide, a boride, amorphous carbon or a metal of groups IB, IVB, VIB AND VIII of the periodic table of the elements, in particular chromium and titanium.
  • the deposition is carried out by standard physical or chemical processes under vacuum, which provide clean deposits of homogeneous and very thin thickness, advantageously between 0.2 and 0.9 ⁇ m. Chromium and titanium nitride are particularly suitable.
  • the greatest of the elementary depths of roughness R max is less than 6 ⁇ m so as to avoid peaks that are too tapered and pointed, the sides of which are insufficiently protected and the coating of the tip of which may crack.
  • the invention also relates to the high sensitivity trigger produced by the method described above.
  • an electromagnetic trip device comprises a magnetic frame 1 in the form of U, made of an iron nickel alloy and a permanent magnet 2 in the form of a parallelepiped bar, placed between the branches 3, 4 of the frame 1, one of the poles 5,6 of which is attached to the base 7 of the U of the frame 1.
  • a movable pallet 8 also made of an iron-nickel alloy, is placed opposite the pole ends 9, 10 of the armature 1 and of the pole 6 of the magnet 2 and is pivotally mounted around the edge 11 of the arm 3 of frame 1.
  • a return spring 12 biases the pallet 8 in the pivoted position for separating the frame 1, in which the pole surface 14 of the pallet 8 opposite the pole surface 10 of the frame 1 is separated from the latter.
  • Pallet 8 can take two positions of stable equilibrium. In one, shown in Figure 1, it is bonded by the pole surface 14, on the pole surface 10 of the armature 1, by the magnetic flux 13 generated by the permanent magnet 2. In the other position shown in FIG. 2, the pole surface 14 is moved away from the pole surface 10, by the force of the spring 12.
  • a coil 16 is wound on the branch 4 of the armature 1 to generate a magnetic flux 15 opposite to the flux 13 of the permanent magnet in the branch 4 when it is traversed by an electric current.
  • the pallet 8 takes off from the end 10 of the branch 4 under the action of the spring 12.
  • the polar surface 14 of the pallet 8 and the polar surface 10 of the frame 1 undergo the same treatment to obtain a surface having peaks 18 and valleys 19, the contact between the two surfaces 10,14 effected by the peaks 18 in the manner shown diagrammatically in FIG. 3.
  • the pole surface 9 of the armature and the associated pole surface of the pallet 8 advantageously undergo the same treatment.
  • the roughness coefficient Ra which is the average height of the profile above and below the average line, according to standard NF E05-015, is greater than or equal to 0.03 ⁇ m and less than 0.5 ⁇ m. This roughness is obtained during the mechanical polishing of the polar surfaces 10, 14 and it is perfectly defined and reproducible.
  • the polished surfaces 10,14 then receive a thin protective coating such as a layer of nickel oxide, nitride, carbide, boride, amorphous carbon or a metal of the groups IB, IVB, VIB or VIII, of the Periodic Table of the Elements.
  • the nickel oxide layer can result from a surface enrichment of nickel in the polar surface, for example by a deposit of small thickness, less than 1 micron of nickel. This nickel oxidizes to form a chemically stable nickel oxide.
  • Nickel enrichment can be obtained by electrolytic polishing which preferentially dissolves iron and leaves a surface with increased nickel content over a few atomic layers, which oxidizes in air.
  • the deposition of nickel or other protective materials is carried out by physical or chemical processes under vacuum (Physical Vapor Deposition or Chemical Vapor Deposition) well known to specialists and which it is unnecessary to describe.
  • the protective layer with a thickness of less than 1 ⁇ m is homogeneous and it forms, in combination with the above-mentioned roughness, a barrier against corrosion. Good results have been obtained with a layer of titanium nitride or chromium, but the other aforementioned materials are also suitable. It is important that the two pole surfaces 10,14 are treated in the same way.
  • the thickness of the layer is between 0.2 and 0.9 ⁇ m and the maximum amplitude of the peaks R max is less than 6 ⁇ m.
  • Figure 4 illustrates the surface condition on an enlarged scale.

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Description

  • L'invention est relative à un procédé de fabrication d'un déclencheur électromagnétique à haute sensibilité, selon le préambule de la revendication 1.
  • Les déclencheurs du genre mentionné doivent être fiables et fonctionner à des seuils indépendants des conditions ambiantes, notamment d'une chaleur humide, qui peut être à l'origine d'une corrosion entre le fer et le nickel formant des oxydes et des hydroxydes de fer qui conduisent, soit au déclenchement intempestif, soit au collage de la palette. Les déclencheurs à haute sensibilité sont généralement incorporés à des interrupteurs ou disjoncteurs différentiels de protection des personnes et tout mauvais fonctionnement est intolérable.
  • Il a déjà été proposé de revêtir les surfaces polaires d'une couche protectrice, notamment en matière synthétique ou en des métaux nobles, mais ces couches sont, soit trop épaisses et réduisent la sensibilité du déclencheur, soit trop minces et en présence d'humidité, un couple est crée soit entre le substrat et le revêtement, soit entre le fer et le nickel du substrat. On utilise généralement des surfaces polaires polies pour réduire au maximum l'entrefer entre les surfaces parfaitement lisses mais la tenue à la chaleur humide n'est pas améliorée, bien au contraire. Lorsque l'entrefer est faible, les surfaces polaires sont en contact à certains endroits par l'intermédiaire de surfaces ou zones, ces zones sont mal aérées, aussi lorsque la vapeur d'eau se condense, dans ces zones l'eau stagne et favorise la formation de corrosion. Cette corrosion se généralise sur toute la zone, entraînant le collage du relais.
  • Le document FR-A-2.412.159 a fait connaître un procédé de réalisation d'un déclencheur à haute sensibilité ayant les caractéristiques du préambule de la revendication 1, dans lequel au moins l'une des surfaces polaires est revêtue d'une couche d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 µm produisant un effet de graissage et évitant toute usure par frottement. Cette couche enrobe les faibles aspérités qui ne peuvent plus se rompre, mais elle n'assure pas une protection contre la corrosion.
  • De même, le document FR-A-2.412.159 a fait connaître un déclencheur à haute sensibilité ayant les caractéristiques du préambule de la revendication 7.
  • La présente invention a pour but de permettre la réalisation d'un déclencheur à haute sensibilité et à fonctionnement correct en chaleur humide et ce but est atteint par la mise en oeuvre des caractéristiques de la revendication 1.
  • La surface polaire de l'armature et celle de la palette recoivent la même finition, en l'occurrence un traitement mécanique, par exemple de polissage avec des outils ou matériaux abrasifs appropriés, faisant apparaître un état de surface d'une rugosité 0,03 ≦ Ra ≦ 0,5 µm et par la suite un revêtement protecteur d'une épaisseur voisine ou inférieure à 1 µm, qui conserve les pics et le profil à 0,03 ≦ Ra ≦ 0,5 µm. La bonne tenue des déclencheurs selon l'invention provient d'une part des contacts ponctuels entre les deux surfaces polaires par l'intermédiaire des pics des surfaces (et non par l'intermédiaire de zones) et, d'autre part par le revêtement protecteur qui empêche toute initiation ou extension de la corrosion locale susceptible de se produire aux points de contacts des deux surfaces polaires. Le faible entrefer est conservé ainsi que la haute sensibilité.
  • Le revêtement protecteur peut être en différents matériaux et être obtenu de différentes manières. Dans tous les cas, il doit être mince, homogène, quasi non poreux, propre et adhérent.
  • Selon un premier mode de mise en oeuvre, la surface polaire est recouverte d'un composé d'oxyde de nickel qui peut être obtenu par un polissage électrolytique, celui-ci conduisant à un enrichissement en nickel de la surface, laquelle s'oxyde en présence de l'air, ou par un dépôt physique ou chimique sous vide de nickel, d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 µm, qui s'oxyde de la même manière.
  • Le document DE-A-2.541.392 décrit un électro-aimant à noyau plongeur dont les surfaces polaires de guidage du noyau et la surface du noyau sont revêtues d'une couche de nickel ou de chrome résistant à la corrosion et à l'usure. L'épaisseur de la couche est de 15 µm.
  • La couche protectrice peut être un nitrure, notamment un nitrure de titane, un carbure, un borure, du carbone amorphe ou un métal des groupes IB, IVB, VIB ET VIII de la classification périodique des éléments, notamment le chrome et le titane. Le dépôt est réalisé par les procédés standard physiques ou chimiques sous vide, qui fournissent des dépôts propres à épaisseur homogène et très mince, avantageusement comprise entre 0,2 et 0,9 µm. Le chrome et le nitrure de titane sont particulièrement appropriés. Selon l'invention la plus grande des profondeurs élémentaires de rugosité R max est inférieure à 6 µm de façon à éviter des pics trop effilés et pointus, dont les flancs seraient insuffisamment protégés et dont le revêtement de la pointe risque de se fissurer.
  • L'invention est également relative au déclencheur à haute sensibilité réalisé selon le procédé décrit ci-dessus.
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté au dessin annexé, dans lequels:
    • les figures 1 et 2 sont des vues schématiques d'un déclencheur selon l'invention représenté respectivement en position d'attraction et en position de déclenchement,
    • la figure 3 est une vue à échelle agrandie des surfaces polaires au contact.
    • la figure 4 représente le profil d'une surface polaire,
  • L'invention est décrite par la suite comme étant appliquée à un déclencheur faisant l'objet du brevet français no2520164, mais il est clair qu'elle est applicable à des déclencheurs de structure différente, notamment du genre décrit dans le brevet français 2261614.
  • Sur les figures 1 et 2, un déclencheur électromagnétique comprend une armature magnétique 1 en forme d'U, faite d'un alliage fer nickel et un aimant permanent 2 en forme de barreau parallélépipèdique, placé entre les branches 3,4 de l'armature 1, dont l'un des pôles 5,6 est accolé à la base 7 du U de l'armature 1.
  • Une palette mobile 8, également en un alliage fer-nickel, est placée en regard des extrémités polaires 9,10 de l'armature 1 et du pôle 6 de l'aimant 2 et est montée à pivotement autour de l'arête 11 de la branche 3 de l'armature 1.
  • Un ressort de rappel 12 sollicite la palette 8 en position pivotée de séparation de l'armature 1, dans laquelle la surface polaire 14 de la palette 8 en regard de la surface polaire 10 de l'armature 1 est séparée de celle-ci. La palette 8 peut prendre deux positions d'équilibre stable. Dans l'une, représentée à la figure 1, elle est collée par la surface polaire 14, sur la surface polaire 10 de l'armature 1, par le flux magnétique 13 engendré par l'aimant permanent 2. Dans l'autre position représentée à la figure 2, la surface polaire 14 est écartée de la surface polaire 10, par la force du ressort 12.
  • Une bobine 16 est enroulée sur la branche 4 de l'armature 1 pour engendrer un flux magnétique 15 opposé au flux 13 de l'aimant permanent dans la branche 4 lorsqu'elle est parcourue par un courant électrique. Lorsque le flux 13 de l'aimant 2 est réduit ou annulé par le flux 15 de la bobine 16, la palette 8 décolle de l'extrémité 10 de la branche 4 sous l'action du ressort 12.
  • Un tel déclencheur et son fonctionnement sont bien connus par l'homme de métier.
  • Selon la présente invention, la surface polaire 14 de la palette 8 et la surface polaire 10 de l'armature 1, subissent le même traitement pour obtenir une surface ayant des pics 18 et des vallées 19, le contact entre les deux surfaces 10,14 s'effectuant par les pics 18 de la manière schématiquement représentée à la figure 3. La surface polaire 9 de l'armature et la surface polaire associée de la palette 8 subissent avantageusement le même traitement. Le coefficient de rugosité Ra, qui est la hauteur moyenne du profil au-dessus et au-dessous de la ligne moyenne, selon la norme NF E05-015, est supérieur ou égal à 0,03 µm et inférieur à 0,5 µm. Cette rugosité est obtenue lors du polissage mécanique des surfaces polaires 10,14 et elle est parfaitement définie et reproductible. Les surfaces polies 10,14 reçoivent ensuite un revêtement protecteur de faible épaisseur tel qu'une couche d'oxyde de nickel, d'un nitrure, d'un carbure, d'un borure, de carbone amorphe ou d'un métal des groupes IB, IVB, VIB ou VIII , de la classification périodique des éléments. La couche d'oxyde de nickel peut résulter d'un enrichissement superficiel en nickel de la surface polaire, par exemple par un dépôt de faible épaisseur, inférieure à 1 micron de nickel. Ce nickel s'oxyde pour former un oxyde de nickel chimiquement stable. L'enrichissement en nickel peut être obtenu par un polissage électrolytique qui dissout préférentiellement le fer et laisse subsister une surface à teneur de nickel accrue sur quelques couches atomiques, qui s'oxyde à l'air.
  • Le dépôt du nickel ou des autres matériaux protecteurs est effectué par des procédés physiques ou chimiques sous vide (Physical Vapor Déposition ou Chemical Vapor Déposition) bien connus des spécialistes et qu'il est inutile de décrire. La couche protectrice d'une épaisseur inférieure à 1 µm est homogène et elle forme, en combinaison avec la rugosité précitée, une barrière contre la corrosion. De bons résultats ont été obtenus avec une couche de nitrure de titane ou de chrome mais les autres matériaux précités conviennent également. Il est important que les deux surfaces polaires 10,14 soient traîtées de la même manière. Dans le cas d'un dépôt sous vide, l'épaisseur de la couche est comprise entre 0,2 et 0,9 µm et l'amplitude maximale des pics R max est inférieure à 6 µm. La figure 4 illustre l'état de surface à échelle agrandie.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d'un déclencheur électromagnétique à haute sensibilité, notamment pour un interrupteur de protection différentielle, ayant un circuit magnétique, polarisé par un aimant permanent (2) et portant une bobine de commande (16), ledit circuit magnétique comprenant une armature fixe (1) et une palette mobile (8), ayant chacune une surface polaire (10,14) venant en accolement en position d'attraction de la palette par l'armature, procédé selon lequel on revêt lesdites surfaces polaires (10,14) d'une couche protectrice d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 µm, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique est en un alliage fer-nickel et que la surface polaire (10) de l'armature (1) et la surface polaire (14) de la palette (8) sont soumises de la même manière à une finition de surface pour obtenir un coefficient de rugosité Ra supérieur ou égal à 0,03 µm, et inférieur à 0,5 µm, Ra étant la hauteur moyenne du profil au-dessus et au-dessous de la ligne moyenne, pour assurer un contact ponctuel par l'intermédiaire des pics (18) entre les deux surfaces, et éviter en combinaison avec ladite couche protectrice toute corrosion en chaleur humide.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite finition de surface est un polissage mécanique des surfaces polaires (10,14).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le revêtement par couche protectrice est obtenu par polissage électrolytique des surfaces polaires conduisant à un enrichissement en nickel des surfaces, ledit nickel s'oxydant pour former une couche protectrice d'oxyde de nickel, et que le coefficient de rugosité est supérieur ou égal à 0,15 µm et inférieur à 0,5 µm.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche protectrice d'oxyde de nickel est obtenue par un dépôt sous vide de nickel.
  5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche protectrice d'une épaisseur comprise entre 0,2 et 0,9 µm est constituée par un nitrure, un carbure, un borure, du carbone amorphe ou un métal des groupes IB, IVB, VIB et VIII de la classification périodique des éléments, et est déposée par voie physique ou chimique sous vide, la plus grande des profondeurs élémentaires de rugosité étant inférieure à 6 µm.
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche protectrice est du nitrure de titane ou du chrome.
  7. Déclencheur électromagnétique à haute sensibilité, notamment pour un interrupteur de protection différentielle, ayant un circuit magnétique, polarisé par un aimant permanent (2) et portant une bobine de commande (16), ledit circuit magnétique comprenant une armature fixe (1) et une palette mobile (8), ayant chacune une surface polaire (10,14) venant en accolement en position d'attraction de la palette par l'armature et comportant un revêtement protecteur contre la corrosion d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 µm, caractérisé en ce que le circuit magnétique est en un alliage fer-nickel et que les surfaces polaires (10,14) de l'armature (1) et de la palette (8), traitées de la même manière, présentent un coefficient de rugosité Ra supérieur ou égal à 0,03µm et inférieur à 0,5 µm.
  8. Déclencheur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revêtement protecteur est une couche d'oxyde de nickel obtenue par polissage électrolytique.
  9. Déclencheur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revêtement protecteur est un nitrure, carbure, borure, carbone amorphe ou métal des groupes IB, IVB, VIB et VIII de la classification périodique des éléments, déposé sous vide.
  10. Déclencheur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le revêtement protecteur est du nitrure de titane ou du chrome d'une épaisseur comprise entre 0,2 et 0,9 µm.
EP19880401806 1987-07-28 1988-07-11 Déclencheur électromagnétique à haute sensibilité et son procédé de fabrication Expired - Lifetime EP0301935B1 (fr)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
FR8710720 1987-07-28
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