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Bobines pour courant alternatif
Invention Georges KLEIN
La présente invention concerne les transformateurs ou inductances. Ces appareils, branchés sur un réseau, peuvent être traversés par des courants de court-circuit extrêmement importants, et ainsi être soumis à des efforts électrodynamiques extrêmement violents. Dans les bobinages classiques, la courbure des lignes de force du champ magné- tique engendre des efforts longitudinaux qui tendent à écra- ser les bobinages en couches ou à rapprocher et déformer les bobinages en galettes et qui sont toujours très nuisibles à la structure dos bobinages.
La présente invention permet d'éliminer en presque totalité les efforts d'écrasement précités dans les bobinages de transformateurs ou d'inductances.
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Dans la demande de brevet n 6. 899 déposée le 21 décembre 1964 ayant pour titre "Perfectionne- ments aux bobinages", la Demanderesse a décrit des bobinages à effort d'écrasement nul. La présente invention a pour objet l'application de tels bobinages en particulier aux transforma- teurs ou inductances.
La bobine selon 'invention est destinée en particulier aux transformateurs ou aux inductances, est notamment caracté- risée en ce qu'elle comporte des enroulements disposés en couches, lesdites couches étant placées le long d'une surface matérialisant un tube de force du champ magnétique baignant le bobinage, ou en galettes, lesdites galettes matérialisant les surfaces orthogonales aux tubes de force préoités, ou disposés en combinant les dispositions précédentes et en ce que les portions du circuit magnétique entourées de bobina- Sent ont la forme d'un tube de force du champ magnétique que produiraient lesdits bobinages dans l'air.
Cette disposition permet en effet de ne pas modifier artificiellement le trajet des lignes de force du champ magnétique en lui offrant une zone de moindre réluctance.
D'autres oaractéristiques de l'invention ressortiront également de la description suivante d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, ainsi que des dessins ci-annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une demi-coupe verticale d'une colonne de transformateur munie d'un bobinage en couches, - la figure 2 représente une demi-coune verticale d'une colonne de transformateur munie d'un bobinage en galottes, - la figure 3 représente une demi-coupe verticale d'une colonne de transformateur munie d'un bobinage combinant les couches et les galettes,
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- la figure 4 représente un détail de construction du bobinage précédent:
- la figure 5 représente, vue en coupe vertioale, selon le plan II de le. figure 6, un circuit magnétique suivant l'in- vention, - la figure 6 représente le même circuit magnétique vu de dessus, la. figure 7 représente une demi-coupe verticale d'une colonne de transformateur munie d'un enroulement haute tension clas- sique et d'un enroulement basse tension disposé en oouohes suivant les tubes do force du champ magnétique.
Sur la figure 1, autour d'une col 'ne 1 du circuit magnétique, sont bobinés un enroulement basse tension 2 et un enroulement haute tension 3. Ces enroulements sont bobinés en couches sur des mandrins matérialisant les tubes de force du champ magnétique que produirait chaque enroulement parcouru isolément par du oourant. Les enroulements haute et basse tension doivent être calculés pour donner la même configuration de champ. Cette condition étant réalisée, d'après le principe de la superposition des états de régime, le réseau des lignes de force ne subira aucune variation de configuration.
Les enroulements haute et basse tension sont séparés par une isolation 4. Les mandrins-sur lesquels sont bobinéesles couches,sont supportés par les éléments 5 qui transmettent la résultante (les efforts à l'extérieur, par exemple à un système de culonne.
A cause de la oourbure des lignes de force, la oouohe exté- rieure 30 se trouve la moins rapprochée de ses voisines. On pourra avantageusement la raccorder à l'arrivée de la haute tension, soit en bobinant les oouohes les unes âpres les autres, soit en divisant le bobinage en deux parties symétriques par rapport au plan horizon- tal situé à ni-hauteur, ot bobinées en sens inverse pour obtenir
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l'addition des flux.
Sur la figure 2, autour d'une colonne 1 du circuit magnétique, sont. bobines un enroulement basse tension et un enroulenent haute tension: Ces enroulements sont disposés en galettes 6 matérialisant les surfaces orthogonales aux tubes de force du ohanp nagnétique que produirait chaque enroulement fonctionnant isolément. Conne préoé- demment, le primaire et le secondaire sont déterninés pour donner la même configuration de champ qui sera par la suite indépendante du fonctionnement du transformateur. Lors des courts-circuits, les con- duoteurs des galettes seront soumis 4 des efforts tangentiels unique- ment. Il n'y aura, par conséquent, pas d'efforts d'attraction mu- tuelle des galettes ce qui permet d'adopter une structure allégée.
L'enroulement peut être réalisé en galettes haute tension et basse tension alternées et séparées par une isolation ou suivant toute disposition adéquate. Mais selon un node de réalisation préfé- ré, les enroulements haute tension et basse tension sont bobinée ensemble dans les galettes: Les oonnexions entre galettes sont faites en série pour l'enroulement haute tension et en'parallèle pour l'en- roulenent basse tension.
Un premier avantage de cette disposition est de réduire le flux de fuite, ce qui est un des problèmes des appareils à grande densité de courant.
L'épanouissement du noyau magnétique procure également un deuxième avantnge pour l'isolation. En effet, en se déplaçant vers les extrémités, la dimension des galettes augmente et la place dis- ponible pour l'isolation augmente. Avantageusement, on peut obtenir un transformateur à point milieu situé au centre de la oolonne et sorties hautes tensions a@x extrémités. Si l'on ne désire pas de point nilicu, les deux portions de l'enroulement haute tension peu- vent être oonneotées en parallèle, le bobinage étant réalisé avec
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les sens convenables.
Ainsi on sépare les problèmes de tenue diélec- trique, et donc d'isolement, des problèmes de tenue aux efforts élec- tromagnétiques prépondérants au oentre de la colonne, ce qui permet de les résoudre plus aisément.
Pour la construction des bobinages des figures 1 et 2 on pourra avantageusenent utiliser les dispositions de la demande de brevet précitée de la Demanderesse.
Sur la figure 3, le bobinage du transformateur combine les dispositions en couches et en galettes précédemment exposées.
La colonne 1 du transformateur est entourée d'un enroulement basse tension 2 en couches et d'un enroulement haute tension 3 qui comporte des couches et des galettes.
Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait également prévoir un enroulement basse tension en couohes et en ga- lettes.
Les enroulements haute et basse tension sont préparés par une isolation 4 qui peut, par exemple, être constitude de plusieurs mandrins accolés de forme convenable.
L'enroulement basse tension est maintenu par des éléments 5 qui transmettent la résultante des efforts au bâti extérieur.
Un perfectionnement intéressant peut être apporté à l'enroule- ment haute tension dans le cas où y sont combinées des galettes et des couches. Les galettes telles que 6 servent de support aux oouohes telles que 7. La forme des galettes convient bien, en effet, pour transmettre à la structure extérieure la résultante des efforts des couches. Cette disposition permet d'alléger considérablement les structures.
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Néanmoins, cette disposition est également applicable à l'en- roulement basse tension ainsi qu'à tous les enroulements utilisant les caractéristiques de In demande de brevet de la Demanderesse pré- citée.
La figure 4 indique une disposition possible pour l'agencement relatif des couche$ et des galettes dans le cas procèdent.
Une couche 7 par exemple de fils méplats est bobinée sur un Mandrin 8 et portée par une surface résistante 10. A l'extrémité de la couche se trouve une oale 9. La galette 6, également composée de file méplats dans cet exemple, est disposée entre deux éléments ré- oistants 11 et 12 qui transmettent au bâti, dans cet exemple une colonne 17, les efforts provenant de la couche 7 qu'ils supportent et les efforts exercés par les conducteurs de la galette. La galette est terminée par des cales 15 et elle prend appui du côté du bâti, dans cet exemple, sur une oonsole 16.
Pour parfaire la transmission de la couche à la structure de la console on peut disposer des cales supplémentaires telles que 14.
Pour réaliser la forme nécessaire du circuit magnétique un procédé est indiqué sur les figures 5 et 6.
La colonne du circuit magnétique représenté comprend un noyau principal de forme cylindrique 18. Pour donner à la colonne la forme d'un tube de force du champ magnétique, on peut rapporter sur sa périphérie des paquets 19 de tôles radiales convenablement profilées.
Suivant la précision désirée du tracé, le nombre des paquets de tôles précités pourra être augmenté en diminuant de façon oorres. pondante la hauteur respective des paquets.
Cette disposition a de nombreux avantages dont les principaux sont les suivants :
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L'invention ayant notamment pour but de réduire oonsidérablemenb les efforts électromagnétiques, permet de construire des transforma- teurs fonctionnant avec une très forte densité de courant ce qui augmente dans des proportions analogues la chute de tension inductive ou réactance: Pour ne pas augmenter exagérément cette réactanoe, il faut que le flux de fuite soit réduit le plus possible. C'est notam- ment le cas si le circuit magnétique s'épanouit comme le bobinage.
Dans certains types de constructions, on désire obtenir une va- leur préoise de la réactance. Pour modifier et ajuster cette réactan- oe, suivant l'invention, on modifie l'épaisseur des paquets de tôles rapportes. Cette opération est très simple et permet ainsi d'obtenir la valeur désirée.
Enfin, la colonne sera raccordée au reste du circuit magnétique à ses extrémités qui sont par conséquent les portions de plus grande section et qui travaillent avec l'induction la plus faible. Il en résulte que si un joint est défectueux, les conséquences seront mini- mes et entraîneront peu de pertes supplémentaires.
Le retour du flux pourra être assuré par deux pièces 20 en forme de C diamétralement opposées par rapport à la colonne portant le bobinage. Ces pièces 20 seront suffisamment larges pour, d'une part éviter la saturation et, d'autre part recouvrir aux points de jonction aveo la colonne le plus grand des paquets de tôles 19 pour éviter les fuites magnétiques et ne pas modifier le parcours des lignes de force du champ: lies portions supérieures et inférieures 21 de la colonne 18 s'imbriqueront de préférence avec les pièces 20. On pourra avanta- geuser.ient prévoir des épanouissements 22 pour ne pas modifier les lignes de force.
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Les pièces en tome de C peuvent être réalisées par un simple empilage de tôles.
On pourrait également prévoir, au prix de quelques oomplioa.- tions, une fermeture par plusieurs pièces en 0 ou oolonnes disposées régulièrement autour d'une colonne centrale. Par exemple, le retour du flux peut s'effectuer par trois colonnes disposées à 1200 ou quatre colonnes à 90 .
L'exemple de réalisation de la figure 7 montre une colonne de transformateur 1 munie d'un enroulement haute tension 3. Cet enrou- lement peut être réalisé classiquement en couches ou galettes cylin- driques.Après avoir déterminé ou calculé le réseau des lignes de force produites par l'enroulement haute tension fonctionnant isolé- ment, l'enroulement basse tension 2 est disposé suivant un tube de force de ce réseau et calculé pour que le champ qu'il produit ait la même configuration. La forme de la colonne du circuit magnétique s'en déduit également: @
Une isolation 4 est disposée entre les deux enroulements; A cause de la courbure de l'enroulement basse tension l'épaisseur de l'isolation sera prépondérante en 23.
Pour cette raison il est sou- haitable de diviser l'enroulement haute tension en deux enroulements en parallèle 24 et 25, reliés par leur borne commune 26 à la haute tension: Les bornes 27 et 28 seront réunies à la masse. Les 'tensions décroissent de la borne 26 aux bornes 27 et 28, d'une façon analogue à la diminution d'épaisseur de l'isolation 4.
Bien entendu, les enroulements 24 et 25 seront bobinés en sens inverse pour que les flux s'ajoutent. Si l'un des enroulements est bobiné dans le sens trigonométrique, l'autre enroulement sera bobiné dans le sens antitrigonométique.
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La fermeture du flux peut être assurée par les moyens exposés ci-dessus,
Comme précédemment, l'obtention d'une faible réaotanco est facilitée par l'absence de fuites hors du for.
Suivant l'invention, on pourra utiliser, dans la disposition précédente, les enroulements décrits dans la demande do brevet n 7.009 'Enroulements supra- conducteurs pour courant continu ou alternatif et procédé de réalisation" déposée le 23 décembre 1964 au nom do la Demanderesse. Dans ce cas l'enroulement haute tension, ou tout le transformateur, serait placé dans un cryostat de manière à rendre le métal ou composé métallique de l'enrou- lement haute tension supraconducteur.
Co typo d'enroulement convient bien car il peut supporter des gradients élevés de potentiel, il possède de bonnes qualités de résistance mécanique et il permet de réaliser aisément doux bobines enroulées en sens inverse. ,
On ne sortirait pas du cadre de cette invention en modifiant certains éléments ou on les remplaçant par des équivalents ou en combinant différemment entre eux les différents éléments décrits.
L'invention s'applique a tous les transformateurs quelles que soient leur puissance ou leurs tensions ainsi que les inductances, et les termes haute tension et basse tension de la description ne doivent pas être interprétés quant à la valeur de la tension effectivement appliquée.