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"Perfectionnements aux circuits magnétiques fju.i±leif4s" '
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La présente invention se rapprise aux oifeyiti
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magnétique. feuilletés pour tout appareil' ou machines
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électriques, notamment pour transformateurs OU genre pooporfp tant au moins un élément de cadre de forme 16népa .'n'"" : ment rectanGulaire ir deux coloma ou noyaux 4eat1n'. A
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recevoir des enroulements et des culasses ou portiques entre lea extrémités des dite noyaux.
De tels circuits magnétiques sont habituellement établis par empilement de tôles convenablement découpées pour s'assembler en couches successives. On utilise actuel- lement de préférence les tôles dites à grains orientés qui présentent dans une direction préférentielle, correspondant à celle de leur laminage, une perméabilité plus grande que dans les autres directions, et dont les pertes exprimées en watts par unité de volume et de poids sont également plus faibles lorsque leur magnétisation est orientée selon ladite direotion préférentielle,
Cette hétérogénéité du comportement magnétique de la tôle complique cependant le problème de l'assembla- ge des circuits magnétiques du genre considéré.dans les zones d'angle ou de raccordement des colonnes et des culas- ses, où il s'agit d'obtenir avec le moins possible de pertur- bation et d'augmentation des pertes la conversion du flux d'un angle en général égal à 90 . On a proposé déjà à cet effet de nombreuses et diverses formes de coupe et dassembla- ge des tôles dans les couches successives d'un circuit magnétique.
Dans une disposition maintenant courante, les bords adjacents des tôles de colonne et de culasse sont dé@ coupez et affrontés selon une direction oblique faisant un angle d'enviren 45@ avec les directions préférentielles r@@@ pectives desdites têles et les join@@ obliques ainsi f@rmés sont décalés entre @@@@@es successives de mani@re à réalisa un recouvrement.
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Selon d'autres dispositions encore plus ancien-* non on a prévu la réalisation d'éléments en forme de L en assemblant une tôle de colonne et une tôle de culasse par soudage suivant un joint de direction oblique, joint pour -lequel on a adopté parfois un tracé en dents de soit dans le but d'améliorer la tenue mécanique de la soudure Le circuit magnétique est constitué dans ce cas par simple affrontement de deux empilements de tels éléments en L.
Selon une autre proposition plus récente, on a tenté d'améliorer le paroours du flux magnétique en adoptant pour les Joints ou bords de raooordement des tôles deux tracés de formes différentes et en faisant alterner ces deux tracés d'une couche à la suivante dans chacun des an- gleu circuit magnétique.Parmi les diverses formes envi- sagées pour certains des joints d'about on retrouve en par- ticulier le tracé en dents de scie déjà mentionné ci-dessus dans le cas des tôles assemblées par soudage.
Ces diverses propositions antérieures présentent encore d'importants Inconvénients ; elles conduisent d'une part, à une complication sérieuse de la fabrication tant en oe qui concerne le travail et l'outillage nécessaire pour 'le découpage des tales, que le montage du circuit magnétique elles ne permettent pas, d'autre part, malgré oes complica- tions de supprimer dans toute la mesure désirable les pertes supplémentaires qui sont attribuables aux perturbations du parcours du flux magnétique dans les angles du circuit magné tique et aux joints d'about entre les tôles formant les couches successives de celui-ci ;
l'expérience montre en effet que, même dans les meilleuresconditions d'exécution
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les.résultats réels restent extrêmement décevants, accusant des suppléments de pertes de 25 à 50% par rapport aux va., leurs garanties en l'absence de joints..
La présente invention a pour objet d'éviter , ces inconvénients en offrant l'avantage de rendre plus , simpleset plus économiques le découpage et l'assemblage des tôles, et surtout la possibilité de rendre pratique* ment négligeables les effets indésirables des perturba- tions normalement expérimentées dans les angles des cir- cuits magnétiques.
Un circuit magnétique feuilleté suivant l'in- vention se caractérise essentiellement par le fait que dans chacune de ses zones d'angle correspondant à la rencontre. d'une paire quelconque de ses branches, les joints d'about de toutes les t$les composantes suivent un tracé en esca- lier oomposé de gradins ayant des côtés orientée sensi- blement suivant les directions longitudinales des branches de la paire oonsidérée.
L'expérience montre qu'une':telle application syste matique de joints en forme de marches d'escalier est sus- ceptible de oonduire à une amélioration absolument inatten- -due des performances du circuit magnétique ; elle permet en particulier de rendre pratiquement négligeables les pertes supplémentaires qui s'étaient avérées inévitables jusqu'à présent dans tous les joints antérieurs.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins* annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en éléva- tion d'un circuit magnétique de transformateur monophasé ;
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la figure 2 est.une vue de détail à plue grande échelle d'une zone d'angle la figure 3 est une vue semblable à la figure 1 montrant une variante la figure 4 représente un circuit; magnétique triphasé j la figure 5 montre un exemple de circuit à oulaasea élargies ;
la figure 6 est une vue de détail d'une variante de Joint en escalier ; la figure 7 est une vue partielle en éleva tion d'un exemple de réalisation expérimentale de circuit magnétique de transformateur monophasé ; ' la figure 8 est une vue en coupe suivant le plan VIII-VIII de la figure 7 ' la figure 9 est un diagramme de pertes relatif à la réalisation des figures 7 et 8.
Suivant la forme de réalisation choisie et représentée sur la figure 1, l'invention est appliquée à la réalisation d'un circuit magnétique de transformateur monophasé de forme générale rectangulaire comportant deux noyaux ou colonnes 11, 12 destinées a recevoir des en* roulements (non représentés), et deux culasses 13, 14 ohacune des quatre branches 11 14 est constitué@ par un emp lement de tSles découpées dans des bandes de @@@ du type à cristaux orientés et présentant par conséquent une direc- tion préférentielle Indiquée par les flèches P.
Si l'on considère par exemple la culasse 13 on voit qu'elle est componée de tôles telles que ABCD
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de forme générale trapézoïdale avec une grande base du coté extérieur AD, une petite base du côté intérieur BC et deux cotés latéraux ou flancs AB et CD découpés en esca- lier avec des marches à deux odes pratiquement égaux et respectivement orientés selon ladirection préférentielle P et selon la direction perpendiculaire. A chaque tôle de oulasse ainsi constituée se raccorde une tôle de noyau 12 découpée selon A1-B1-C1-D1 et une tôle du noyau 11 décou- pée selon A3-B3-C3-D3, tandis qu'une autre tôle de culasse 14 se place en A2-B2-C2-D2.
On constitue ainsi quatre joints en marches d'escalier tels que A-D3... B-C3, A1-D...B1-C, etc .... chacun de ces joints étant tout entier disposé d'un côté d'une diagonale de la zone d'angle déterminée par le croisement des branches adjacentes ;le joint en esoalier A-D3-...B-C3 par exemple se trouve au dessus de la diagonale A-C3, tandis que le joint A1-D-...-B1-C se trouve au dessous de la diagonale A1-C et ainsi de suit..
Selon une forme de réalisation chacune des branches du'oirouit magnétique est constituée par un simple empilement des tôles correspondantes selon la figure
1 ;les diverses branches s'emboîtent alors les unes dans les autres, les joints restant alignés dans les diverses couches du circuit, Cette façon de procéder constitue natu- rellement une simplification considérable de la fabrica- tion et le cas échéant de l'entretien de l'appareil, notam- ment en oe qui oonoërne la mise en place des bobinages.
On renonce donc dans oe cas à tout recouvrement des Joint..
Le tracé en marches d'escalier des joints oonduit à une réduction surprenante des pertes, ainsi que oela apparaîtra des performances de certaines réalisations
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expérimentales qui seront indiquées plus loin. On peut ten- 'Il ter d'expliquer oe phénomène remarquable en supposant notam- ment que la longueur des lignes de forces perpendiculaires à la direction préférentielle (donc de faibles pertes et de grande perméabilité) se trouve en quelque sorte divisée par le nombre d'échelons.En se référant à la figure 2, où l'on a tracé à coté de la diagonale A-C3, la ligne M-M qui lui est parallèle et qui coupe en deux parties égales le joint en escalier,
on peut estimer que les parties 4 fortes pertes des tôles se trouveront réduites aux zones hachurées limitées par cette ligne médiatrice d'une part, et par les sommets des marches, d'autre part.
On cherchera donc en général à augmenter le nombre d'échelons dans la mesure permise par l'outillage et d'autant plus que le circuit sera plus grand*
On peut cependant également envisager, selon une variante de l'invention, de constituer un circuit magnétique par un assemblage approprié de bandelettes élémentaires ayant la largeur d'un échelon* comme il est indiqué par les traita
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fins tl, t2, 1). 4,' sur la figure 1.
Chaque branche du circuit sera constituée dans ce cas par Juxtaposition d'un certain nombre do bloos prismatiques, par exemple parallé- lépipédiques, de longueurs échelonnées, chacun de ces bloos étant lui-même formé par empilement d'un nombre voulu de
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bandelettes reotansulalras, Lorsque l'on veut dal11' ddi jo1nl. 1 recouse virement, on adoptera de préférence $$Ibn l1 inventa &l6 r nativement la disposition représenté. 1 la figure 1, et celle montrée à la figure 3, laquelle N'obtient à partir de la première, soit par un retournement, soit par une simple
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translation d'un échelon de toutes les tôles d'une couche, ou d'un groupe de couches.
Comme on le voit sur la figure
3, où les joints de la figure 1 apparaissent en pointillés, les joints en escaliers se présenteront dans ce cas alternativement de part et d'autre des diagonales oorrespon- dantes des zones d'angle.
La figure 4 montre une forme d'application de l'invention à la réalisation d'un circuit magnétique de transformateur triphasé. Les noyaux extérieurs 21 et 22 de ce circuit s'assemblent avec les culasses 23 et 24 selon des joints semblables à ceux que l'on a déjà décrits en réfé- rence aux figures 1 et 2, le mode de recouvrement éventuel étant indiqué en pointillés. Le noyau central 25 est composé de tôles découpées à la forme indiquée qui s'emboîtent dans les tôles correspondantes des culasses selon des joints en marches d'escalier'formés alternativement de part et d'autre des diagonales EF, FO, HJ et JK des zones d'angle telles que E-E1-F-F1, F-G1-G-F1, etc ...
Ici encore on peut adopter soit un montage sans recouvrement, analogue à celui de la figure 1, soit un montage avec recouvrement dans ce dernier cas les tôles des couches successives ou groupes .successifs de couches, prendront alternativement les positions représentées en traits pleins et celles repré- sentées en traits pointillés. On notera que ces secondes positions se déduisent dee première par des translation d' un échelon pour les branches @@ @ 24, et par un retournement de 180 autour de l'axe central F-J pour les seules tôles du noyau central 25.
La figure 5 montre une variante de circuit mono- phasé à deux colonnes 31, 32 et culasses 33, 34 qui diffère des exemples des figures 1 et 2 par le fait que la largeur
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des tales de culasse dépasse celle des tôles de noyau d'une certaine quantité L. Les joints sont établis dans ce cas, selon l'exemple représenté, le long de diagonales à 45 telles que QP de zones d'angle carrées telles que Q-P1-P-Q1 choisies en faisant abstraction des zones marginales de largeur L. En cas de recouvrement, on voit que les posi- tions secondes (indiquées en pointillés) s'obtiennent par translation pour les tôles de noyau et par retournement pour les tôles de culasse.
Dana toutes les formes de réalisation décri- tes ci-dessus les Joints en escalier suivaient donc des dia- gonales de zonas d'angle en fait carrées ; ses diagonal- les étaient donc des bissectrices des axes longitudinaux . des tôles adjacentes et faisaient un angle de 45 avec ceux-ci ; les marches d'escaliers avaient d'autre part, deux cotés égaux. Cette disposition semble en fait préfé- rable et de nature à simplifier la fabrication.
Elle n'est cependant pas limitative l'invention englobe en parti- culier la possibilité d'établir de part ou d'autre de dia- gonales, telle que la diagonale P@2, dans le cas de la fi- gure 5 par exemple, des joints en escalier dont les marches pourront présenter des longueurs proportionnelles aux lar- geurs respectives des tôles correspondantes (et. figure 6).
Des varias pourront d'autre part, être envisagées dans le profil des marches dont le sommet pourra être arrondi ou biseauté dans une certaine mesure.
Dans un cas du genre représenté aux figures 5 et 6 on pourra utiliser, des tôles à fortes pertes pour former les culasses, car l'induction s'y trouvera réduite proportionnellement à l'augmentation de la section. Les applications de l'invention ne se trouvent donc pas limitées aux tôles magnétiques à cristaux orientés.
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A titre d'illustration des performances suscep- tibles d'être obtenues grâce à l'invention ou indiquera enfin en référence aux figures 7 à 9 les résultats obtenus dans le oadre d'une réalisation expérimentale,
Les figures 7 et 8 montrent de façon détaillée et avec des indications des dimensions en millimètres la forme préoise d'un circuit magnétique de transformateur monophasé qui a été réalisé en tôles ARMCO à oristaux orien- tés d'une épaisseur de 0,35 mm, avec une déooupe en marches d'escalier de 10 mm de côté, Le circuit était de forme carrée avec des côtés extérieurs de 465 mm de long* Un tel circuit a fait l'objet, à titre de comparaison, de trois formes d'exécution t I)
Une exécution de référence avec recouvrement et des
Joints usuels droits, à 90 , suivant les prolongements des bords indiqués en traits mixtes en P1, P2 (figure 7), donc avec des tôles découpées en bandes rectangulaires ; II) Une exécution à joints en escalier sans recouvrement selon la description donnée en référence à la figure 1 ci-dessus : III) Une exécution à joints en escalier avec recouvrements selon la description donnée en référence à la figure 3 ci-dessus.
Sur la figure 9 on a représenté - en T ,'la courbe de pertes théoriques de la tôle nue telles qu'indiquées par le fournisseur en watts par kilogramme en fonction de 1' induction B exprimée en Gauss. en I, II, et III les courbes de pertes respecti- ves mesurées en laboratoire avec les trois formes d'exécution ci-dessus définies,
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ces mesures :;Ont été obtenues en disposant un ' enroulement de 21 spires sur l'un des noyaux et un enrou- lement de 20 spires sur l'autre.
On constate, à 15.000 gauss par exemple, que le montant de pertes, qui est de 1,80 W/@g dans l'exécution de référence I, passe à 1,45 W/kg dans l'exécution II et à 1,19 W/Kg dans l'exécution III. Déjà avec l'exécution sans recouvrement conforme à la figure 1 on obtient donc des performanoes de pertes comparables à celles que l'on obtient! dans les meilleuresréalisations antérieures, tandis qu' avec l'exécution avec recouvrement selon la figure 3, on s'approche très sensiblement des pertes théoriques, en réalisant ainsi un progrès surprenant par rapport à tout ce qui a pu être obtenu dans la techniques anté- rieuse.
Il est tout à fait remarquât!!* da notes que 1' écart des pertes théoriques 3? tend à Diminuer @neers 'OU, les valeurs encore plus grandes de l'indu@tion ; @@ davient imperceptible vers 18*000 gauss. Il est encore plus remar- quable de noter, d'autre part, que ces résultats furent obtenus avec dos tôles non recuites, c'est à dire n'ayant pas encore subi le traitement habituellement prati- que* pour compenser l'écrouissage résultant de la manipu- lation et de la coupe qui est la cause de pertes supplé- mentaires