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Perfectionnements aux noyaux magnétiques
Cette invention se rapporte aux noyaux magnétiques utilisés dans des appareils électriques à induction, tels que des transformateurs.
La pratique courante dans la construction d'appareils électriques à induction, tels que des transformateurs généra- teurs et distributeurs, est d'employer des noyaux en matière magnétique formés d'un empilage de couches de fines tôles ou feuilles de matière magnétique, comme par exemple de l'acier siliceux laminé à chaud. Une partie du noyau magnétique est employée comme jambe d'enroulement autour de laquelle on bobine les enroulements conducteurs en cuivre du transformateur.
Afin que le prix de revient des transformateurs soit aussi bas que possible, il faut que la longueur de l'enroulement moyen du con-
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ducteur de courant autour de la jambe d'enroulement Boit la plus petite possible, tout en restant compatible avec les pertes ad- mises et le rendement de puissance du transformateur.
Plue la section transversale de la matière magnétique sera petite, plue la. densité du champ magnétique nécessaire pour développer une force électromotrice donnée sera grande et plue le courant d'excitation passant dans l'enroulement primaire sera grand* Le courant d'excitation admissible pour une dimension don- née de transformateur a été un facteur limitatif dane la réduc- tion de la section transversale de la matière magnétique.
Le courant d'excitation se compose de deux composantes ou parties, notamment Le courant magnétisant nécessaire pour obli- ger lee lignes de force du champ magnétique à travers le fer du noyau, et le courant de perte dans le fer nécessaire pour supplé- er aux pertes d'énergie dans le fer du noyau, soit pas hystérésis, soit par courante de Foucault. La composante du courant magnéti- sant dépend grandement de la perméabilité de la matière employée dans la construction du noyau, tandis que la composante du cou- rant de perte dépend de la caractéristique de perte dans le fer de la matière.
Le fer ou acier magnétique employé généralement pour les noyaux des transformateurs est un acier siliceux laminé à, chaud, de qualité supérieure ayant une perméabilité et une perte en watts par volume cubique substantiellement constantes pour des écarts considérables de la direction des lignes de force du champ magné- tique par rapport à celle du laminage* On a réalisé des aciers plus coûteux qui ont une perméabilité beaucoup plus grande et des pertes beaucoup plus petites dans la direction du laminage,, Dans ces matières,
la perméabilité varie considérablement lorsque la direction des lignée.de force du champ magnétique s'écarte de la direction du laminage et elle est maximum dans la direction du la- @
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minage. La perte en watts par unité de volume ou de poids de la matière varie de même notablement lorsque la direction du champ magnétique s'écarte de la direction du laminage et elle est mini- mum dans la direction du laminage.
A des densités de fonctionnement (par exemple de 13 à 15 kilogauss par cm carré) la perméabilité du nouvel acier dans la direction du laminage, est considérablement plus forte que celle des aciers siliceux commerciaux laminés à chaud, aux mêmes densités, De même, la perte en watts par unité de volume ou de poids aux densités de fonctionnement, est plus petite que celle des aciers siliceux commerciaux laminés à chaud, aux mêmes densités, lorsque l'aimantation se fait dans la direction du laminage.
Donc, si le noyau d'un transformateur est tait d'acier feuilleté présentant une perméabilité préférée ou plus grande et une perte en watts plus petite par unité de volume lorsque le champ dans l'acier suit la direction du laminage que lorsqu'il suit d'autres directions dans la matière et si les tôles sont aménagées de façon que les lignes de force du champ magnétique dans l'acier suivent la direction du laminage, il en résultera une perméabilité et une perte en watts respectivement plus grande et plus petite, ce qui permettra d'employer de plus fortes densi- tés du champ magnétique qu'avec des aciers siliceux ordinaires et de réduire la section de la matière magnétique.
on a construit des noyaux magnétiques en acier de quali- té supérieure offrant une perméabilité préférée et une petite per- te en watts dans la direction du laminage et dans lesquels on a employé des empilages de tôles comme jambes d'enroulement et cu- lasse du noyau.
En pratique, on emploie dans ces cas des culasses dont la largeur, mesurée de l'entrefer jusqu'au bord extérieur du noyau, est supérieure à la largeur des jambes et on a étudié des aménage-
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mente permettant de réaliser des joints efficaces. Cependant, ces aménagements ne conviennent pas pour des noyaux dont lee jambes et culasses ont une largeur égale, mesurée de l'entrefer jusqu'au bord extérieur du noyau.
le but principal de cette invention est de fournir, pour un appareil électrique à induction, un noyau perfectionné constitué par des empilages de tôles en acier ayant une perméa- bilité préférée ou aimantation la plue aisée dane la direction du laminage$ et dans lequel les tôles sont placées de façon que lee lignes de force suivent en substance la direction du laminage de la matière, tandis que la largeur des tôles qui constituent les culasses et les jambes du noyau est la même.
L'invention ressortira. clairement de la description sui- vante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, montrée titre d'exemple dans les dessine annexée, dans lesquels; Figurée 1 et 2 montrent la façon dont le champ magnéti- que passe à travers des noyaux de conceptions différentes* Figaro 3 montre une disposition de tôles empilées dans un noyau proposé antérieurement, dans lequel les culasses sont plue larges que les jambes.
Fig. 4 montre une disposition des tôles d'acier empilées dans un noyau de transformateur monté selon l'invention.
Figurée 5 et 6 montrent des parties du noyau utilisées dans l'assemblage de la figure 3; Figures ? et 8 montrent des parties de noyau employées dans l'assemblage de la figure 3; et Figurée ? et 8 montrent des parties de noyau employées dans l'assemblage de la figure 4.
Figure 1 représente une disposition conventionnelle des feuilles ou tôles poinçonnées en acier qu'on emploie habituelle- ment dans la construction d'un noyau en acier siliceux de haute
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qualité laminé à chaud, dans lequel chaque couche du noyau comprend quatre tôles 1, 2, 3 et 4 disposées dans un même plan, les tôles 1 et 3 d'une part, et 2 et 4 d'autre part, étant semblables. Toutes ces tôles sont de forme rectangulaire; la tôle 1 s'étend de la à la', la tôle 2 de 2a à 2a', la tôle 3 de 3a à 3a' et la tôle 4 de 4a à 4a', de sorte que chacune de ces quatre tôles est adjacente par une extrémité au côté de la tôle contiguë.
Dans la couche sui- vante, on pose les tôles différemment, de façon à réaliser un re- oouvrement des tôles des couches successives; la tôle 1 s'étend alors de 1b à 1b',la tôle 2 de 2b à 2b',la tôle 3 de 3b à 3b' et la tôle 4 de 4b à 4b',le dessin formé par les tôles de cette seconde couche étant le même que celui de la première couche, mais les bords jointifs sont déplacés de la position en traits pleins 1a, 2a, 3a et 4a vers la position en traits pointillés 1b',2b', 3b' et 4b'-
Dana la construction de la figure 1, les jambes 2 et 4 du noyau peuvent servir de jambes d'enroulement autour desquelles on bobine le primaire et le secondaire tandis que les liaisons 1 et 3 forment les culasses qui relient les jambes d'enroulement de façon à compléter le circuit magnétique du noyau.
Dans cette construction les lignes de force du champ magnétique passent suivant la longueur dans les parties reotili- gnes des culasses et des jambes, mais aux angles elles suivent approximativement le tracé indiqué par les flèches 6, de sorte que près des extrémités des tôles, le champ passe de l'une à l'au- tre transversalement au fil de l'acier. pour des noyaux construits en acier conventionnel laminé à chaud, dans lequel la perméabilité à angle droit de la direction du laminage ne diffère pas beaucoup de celle dans la direction du laminage, cette construction donne entière satisfaction,
mais inexpérience a montré que cette cons- truction ne convient pas lorsqu'on fait usage du nouveau type
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d'acier qui a une perméabilité et une perte en watts respective- ment beaucoup plue grande et plue petite lorsque les lignes de force du champ magnétique suivant la direction du laminage que lorsqu'elles suivent une autre direction de la matière, Afin d'en- ployer efficacement les propriétés de ce nouveau type d'acier, il est nécessaire de réaliser une construction dans laquelle les li- gnes de force du champ suivent en tous pointe la direction du la- minage ou direction d'aimantation la plue aisée* sur la figure 2 du dessin, on notera que les borde con- tigus des diverses tôles 7, 8,
9 et 10 qui forment une couche du noyau sont coupés en diagonale ou en biais par rapport à la direc- tion des toles. Dans ce noyau, le champ tendra à suivre la direc- tion d'aimantation la plus aisée, indiquée par les floches il, bien que ceci ne soit pas nécessairement le chemin le plus court autour de l'angle* En suivant ce chemin d'aimantation la plus aisée ou de moindre résistance, lea lignes de force ne sont plue obligées de passer transversalement à la direction du laminage grès des extrémités de chaque tôle.
La figure 3 montre un noyau proposé précédemment dans lequel des empilages de tôles d'acier 14, 15, 16 et 17 sont dispo- ses autour d'un entrefer de longueur L et de largeur W. on notera que les jambes 15 et 17 ont une largeur N et les coulasses 14 et 16 une largeur supérieure N + n. Les Organes 14 et 16 ont une même forme, et comme on peut le voir sur la figure 5, la longueur W du bord intérieur de la tôle correspond à la largeur de l'entrefer.
Les tôles 15 et 17 ont également une même forme et comme le montre la figure 6, la longueur L + n de leur bord intérieur eet lége- rement plue grande que la longueur L de l'entrefer. Les organes sont disposés dans le noyau de façon que dans chaque couche une extrémité des tôle qui forment les jambes, s'étend d'un point 18 situé à l'angle intérieur de l'entrefer vers un point 19 à l'autre @
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extrémité du bord intérieur de la tôle, c'est-à-dire, à distance de l'angle intérieur du coin de l'entrefer.
D'un côté, les extré- mités coupées en diagonale des tôles s'étendent de l'angle inté- rieur 18 de l'entrefer vers un point 21 éloigné de l'angle exté- rieur du noyau, tandis que de l'autre côté, elles s'étendent de l'angle extérieur 22 du noyau vers un point 19 éloigné de l'angle Intérieur de l'entrefer. Dans les couches adjacentes, les tôles 14 et 16 sont retournées de bout en bout et les tôles 15 et 17 sont placées de telle façon que, dans une couche, les bords contigus suivent le contour en traite pleins 18, 21, 22 et 19, et dans la couche contiguë le contour en traits pointillés 18', 19', 22' et 21', réalisant ainsi un recouvrement entre les tôles des couches adjacentes,
recouvrement qui est montré par l'espace entre les li- gnes 18-21 et 19'-22'. Les points correspondante dans les deux cou- ches ont les mêmes chiffres de référence, mais sont affectés du signe prime dans la position en pointillés.
Ce noyau proposé précédemment fonctionne bien, lorsque la largeur des culasses diftere de la largeur des jambes, mais si ces largeurs sont les mêmes, on peut voir que les diagonales qui s'étendent vers l'intérieur à partir de l'angle extérieur du noyau et vers l'extérieur à partir de l'angle intérieur, amèneraient l'un en face de l'autre les bords contigus des tôles dans des cou- ches adjacentes, éliminant ainsi le recouvrement, ce qui donnerait un noyau similaire à celui montré dans la figure 2 dans lequel les couches superposées sont identiques. montré
Dans le noyau sur la figure 4, il est fait usage des principes illustrés dans la figure 2 ;
les tôles d'acier formant le noyau sont disposées de façon que les bords jointifs des tôles dans des couches différentes se trouvent de part et d'autre d'une ligne joignant les angles intérieur et extérieur du noyau, pour former alternativement un joint d'about et un joint à recouvrement,
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ayant une reluctance moindre que si les couches étaient disposées comme sur la figure 2, où lss diagonales qui forment la Jonction entre les tôles dans les différentes couchée sont superposées.
La figure 4 montre un noyau, conforme à l'invention, dont les Jambes et les culasses peuvent avoir et ont de préférence la même largeur N. Des empilages de quatre tôles 24, 25, 26 et 27 sont disposés autour de l'entrefer du noyau, les tôles 24 et 26 correspondant à la tôle montrée sur la figure ? et les tôles 25 et 27 à celle de la figure 8.
La longueur W + x du bord intérieur des tôles 24 et 26 dépasse légèrement la largeur W de l'entrefer et la longueur L + x du bord intérieur des tôles 25-27 dépasse légèrement celle de l'entrefer* On notera, lorsque les tôles 24 et 26 qui forment les culasses sur la figure 4 se trouvent dans la position en traite pleine, que lecoin 31 de la tôle se trouve à l'angle intérieur de l'entrefer et que le bord de la tôle se prolonge jusqu'à un point angulaire 32 qui se trouve en alignement avec le bord intérieur dans la longueur de l'entrefer et, à partir de ce point les bords contigus entre les tôles 24 et 25 et entre les tôles 26 et 2? se prolongent le long des lignes 32-33 paralle- lement à une ligne qui joint l'angle intérieur de l'entrefer à l'angle extérieur du noyau.
Le bord de la tôle se prolonge ensuite le long du bord extérieur du noyau vers le coin 34 et le long du bord du noyau vers le point 35,puis vers le point angulaire 36 parallèlement à la ligne qui joint le coin extérieur du noyau au coin intérieur de l'entrefer et finalement vers le coin 31 de l'en- trefer le long d'une ligne qui forme le bord de l'entrefer et le prolonge.
Dans la couche contiguë, les organes 24 et 26 sont re- tournés de bout en bout, de sorte qu'on retrouve ce même contour en lisant les mêmes chiffres de référence affectée du signe prime, c'est-à-dire que 31'. 32', 33', 34', 35' et 36' désigne les pointe correspondants dans les tôle.. De la même façon, on retourne de
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bout en bout les organes 25-27 dans des couches adjacentes, de sorte que les bords des jambes se joignent avec les bords des culasses.
On notera que dans chaque couche de tôles qui entoure l'entrefer, le bord intérieur de chaque tôle 24, 25, 26 et 27 s'étend d'un coin, à une extrémité de l'entrefer vers un point angulaire de la tôle qui est situé a une distance x de l'angle à l'autre extrémité de l'entrefer, sur le prolongement du bord in- térieur des tôles au-delà de cet angle intérieur. En retournant ce dessin dans des couches adjacentes, de sorte que les pointe angulaires 32 et 36' ou 32' et j6 dans des couches adjacentes se trouvent de part et d'autre d'une droite qui joint l'angle inté- rieur de l'entrefer à l'angle extérieur du noyau, on obtient un recouvrement de largeur constante entre couches adjacentes.
Ce recouvrement est montré par la surface délimitée par lee lignes 32-33 et 36'-35' ou par les lignes 32'-33' et 36-35.
On notera encore les points suivante:
Selon la construction montrée sur la figure 4 et qui comprend l'invention, il n'est pas nécessaire d'élargir les culas- ses pour obtenir les avantages de la coupe en diagonale, décrite par rapport à la 11gure 2, ce qui était nécessaire dans la cons- truction montrée dans la figure 3. Dans la construction de la fi- gure 4, les culasses et les jambes ont la même largeur N. Ceci en- traine une économie en acier magnétique, ce qui est souhaitable dans beaucoup d'applications.
On peut varier le recouvrement des tôles près des coins du noyau en variant l'élément x dans les longueurs W + x et L + x des tôles d'acier montrées respectivement dans les figures 7 et 8, et sans varier la largeur des culasses par rapport aux jambes Ceci donne plus de liberté dans l'établissement des joints que dans le cas où le recouvrement dépend des largeurs relatives des culasses et des jambes.
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Lee tôles qui forment le noyau 4 ont une forme identi- par que et ne différent que/leur longueur de sorte que lion réalise une économie par le fait que la même matrice peut être employée pour effectuer les mêmes découpages et les deux découpages ,peuvent être effectuée dans la même feuille d'acier puisque la largeur de ces deux découpages est la même,,
on peut aménager les matrices pour qu'elles découpent alternativement une jambe et une culasse dans la même bande d'acier puisque la largeur et la forme des ex- trémités des deux pièces sont les mêmes* on minimise ou élimine ainsi dans le noyau assemblé toutes variations d'épaisseur des tôles.
Là où 11 eet nécessaire de découper les culasses dans une bande de matière et les jambes dans une bande différente, il est possible, lorsque.les bandes différent légèrement d'épaisseur, que toutes les culasses soient plue minces que les jambes ou vice-versa. ce qui amène des difficultés dans l'assemblage du noyau et par la mauvaise distribution des pertes entre les jambes et les culasses* Ces difficultés sont éliminera dans la construc- tion suivant la figure 4.
REVENDICATIONS 1.- Noyau magnétique pour appareils électriques, com- prenant des parties de noyau feuilletées qui sont reliées aux coins du noyau par des joints à recouvrement et sont faites en tô- le d'acier ayant sa plus grande perméabilité dans le sens de la. longueur des parties de noyau, caractérisé en ce que les contours des Joints à recouvrement sont des lignes brisées (31, 32, 33) dont la majeure partie (32, 33)est en substance parallèle aux lignes qui relient entre eux le coin intérieur (31)et le coin extérieur (34') associée du noyau.