WO2016128520A1 - Dispositif d'induction electromagnetique a configuration de circuit magnetique multiple - Google Patents

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    • H01F27/266—Fastening or mounting the core on casing or support

Definitions

  • the present invention relates to the field of electromagnetic inductances and electrical transformers.
  • This type of device is for example used to produce a filter output of an AC / DC power converter.
  • These inductances make it possible to reduce the residual currents and / or voltage variations at the output of such a converter.
  • This type of electromagnetic inductance called a coil, can also be implemented to produce a transformer. In this case, it is necessary to couple several rolled coils around the same magnetic circuit.
  • aluminum electrical conductors lighter than copper, may be used for use of the electrical component at a given power.
  • the ductility of aluminum is much lower than that of copper.
  • foil is often used, which is rolled up to make coils.
  • An object of the invention to achieve this goal is an electromagnetic induction device comprising a closed magnetic circuit, without gap, at least a first portion of which is substantially rectilinear and surrounded by a sleeve, said sleeve being surrounded by a electrical conductor which comprises at least one electrically insulated metal sheet on at least one of its faces, characterized in that at least said or said first part of said magnetic circuit has a circular section, in that said magnetic circuit is laminated by several layers of magnetic material separated by an electrical insulator, and at least one said sleeve has an inner face whose shape of a section is circular and conforms to the shape of said magnetic circuit, and an outer face having portions curves and flat parts.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of part of the magnetic circuit, a sleeve and an electrical conductor

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Abstract

Dispositif d'induction électromagnétique (1) comportant un circuit magnétique (2) fermé, sans entrefer, dont au moins une première partie (11) est sensiblement rectiligne et entourée par un manchon (3), ledit manchon (3) étant entouré d'un conducteur électrique (4) qui comporte au moins une feuille métallique isolée électriquement sur au moins l'une de ses faces, caractérisé en ce qu'au moins ladite ou chaque dite première partie (11) dudit circuit magnétique (2) possède une section de forme circulaire.

Description

DISPOSITIF D'INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE A CONFIGURATION DE CIRCUIT MAGNETIQUE MULTIPLE
La présente invention concerne le domaine des inductances électromagnétiques et des transformateurs électriques. Ce type de dispositif est par exemple utilisé pour réaliser un filtre en sortie d'un convertisseur de courant électrique alternatif/continu. Ces inductances permettent de réduire les variations résiduelles de courant et/ou de tension en sortie d'un tel convertisseur. On peut également mettre en œuvre ce type d'inductance électromagnétique, dit bobine, pour réaliser un transformateur. Dans ce cas, il est nécessaire de coupler plusieurs bobines roulées autour d'un même circuit magnétique.
Dans le domaine aéronautique, la masse et le bruit des composants embarqués sont des paramètres importants que l'on cherche à réduire. Dans ce but, on peut utiliser des conducteurs électriques en aluminium, plus légers que le cuivre, pour une utilisation du composant électrique à une puissance donnée. La ductilité de l'aluminium est bien plus faible que celle du cuivre. En conséquence, on utilise souvent l'aluminium en feuille, que l'on enroule pour réaliser des bobines.
Les bobines sont enroulées autour de circuits magnétiques fermés pour guider au mieux le flux magnétique. On utilise couramment des circuits magnétiques réalisés en deux parties. La ou les bobines sont réalisées hors du circuit magnétique, puis placées sur celui-ci. Une fois cette opération réalisée, les deux parties du circuit magnétique sont assemblées pour fermer le circuit. La jonction entre les deux parties forme un entrefer. Il est difficile de rendre les deux surfaces formant l'entrefer rigoureusement parallèles : il subsiste un écart local entre les deux parties, qu'il est difficile d'éliminer. On peut rectifier les surfaces des deux parties destinées à venir en contact afin d'améliorer l'état de surface au niveau de la jonction. On peut également cercler le circuit magnétique au moyen d'une bande l'entourant pour le fermer. L'effort de cerclage contribue à réduire encore l'entrefer. Néanmoins, le courant électrique circulant dans les bobines peut générer des vibrations mécaniques dans le dispositif. Ces vibrations tendent à écarter les deux parties du circuit magnétique pour reformer un entrefer. Les vibrations peuvent également tendre à desserrer le maintien mécanique des différentes parties du circuit magnétique, ce qui tend à permettre l'augmentation de l'amplitude des vibrations tout au long de la vie de la bobine. En parallèle, le dispositif d'induction chauffe lors de son utilisation. La différence de température du dispositif d'induction entre l'utilisation et le repos peut entraîner une dilatation du circuit magnétique et l'apparition d'un écart dans l'entrefer.
Par ailleurs, les vibrations décrites précédemment tendent aussi à générer du bruit qui peut être gênant. Les constructeurs imposent par exemple, en aéronautique, des niveaux de nuisance sonore de plus en plus bas.
Pour pallier ce problème, il existe des dispositifs d'induction électromagnétique et des transformateurs dont le circuit magnétique ne possède pas d'entrefer. La bobine de conducteur électrique doit être enroulée autour du circuit magnétique : un dispositif pour ce roulage est décrit dans le brevet FR 2939559. Ce dispositif utilise un manchon, aussi appelé caniveau, de section intérieure circulaire, assemblé à partir de deux parties autour du circuit magnétique. Le conducteur électrique est d'abord attaché à ce manchon. Un moyen d'entraînement fait alors tourner ce manchon, par l'intermédiaire d'un moyen d'engagement du manchon. La ou les feuilles de conducteur électrique sont alors enroulées autour du manchon. Un autre problème technique connu des dispositifs d'induction réside dans l'apparition de courants de Foucault dans le circuit magnétique, entraînant une perte d'énergie due à la résistance électrique du matériau magnétique, si le matériau est un conducteur électrique. Ce problème est classiquement pallié par la fabrication d'un circuit magnétique feuilleté par strates: des tôles plates de matériau magnétique, isolées électriquement les unes des autres par un matériau électriquement isolant, comme du vernis ou certains types de colle, sont superposées les unes aux autres. Cette superposition peut également être obtenue par l'enroulage d'une tôle. Chaque couche de l'enroulage est alors séparée par un matériau électriquement isolant.
Le matériau magnétique utilisé dans le circuit magnétique est souvent un matériau magnétique doux, pour éviter les pertes d'énergie par hystérésis lors de l'imposition de flux magnétiques variables. Le circuit obtenu permet de limiter l'apparition des courants de Foucault, mais la section du circuit magnétique obtenu, en utilisant cette méthode de fabrication, est rectangulaire.
La différence de forme entre la section circulaire du manchon et la section rectangulaire du circuit magnétique limite l'efficacité du couplage énergétique entre la bobine et le circuit magnétique et entraîne des pertes lors de l'utilisation du transformateur.
Une autre limitation du dispositif est liée aux pertes par effet Joule. Elles peuvent faire atteindre des températures élevées (typiquement plus de 100°C) au dispositif et ainsi limiter son utilisation. Différents moyens de refroidissement sont généralement utilisés pour diminuer la température des dispositifs d'induction électromagnétique: par contact liquide ou par contact solide avec un réservoir de froid. L'invention vise à surmonter au moins l'un des inconvénients précités de l'art antérieur.
Un objet de l'invention permettant d'atteindre ce but est un dispositif d'induction électromagnétique comportant un circuit magnétique fermé, sans entrefer, dont au moins une première partie est sensiblement rectiligne et entourée par un manchon, ledit manchon étant entouré d'un conducteur électrique qui comporte au moins une feuille métallique isolée électriquement sur au moins l'une de ses faces, caractérisé en ce qu'au moins ladite ou chaque dite première partie dudit circuit magnétique possède une section de forme circulaire, en ce que ledit circuit magnétique est stratifié par plusieurs couches de matériau magnétique séparées par un isolant électrique, et qu'au moins un dit manchon comporte une face intérieure dont la forme d'une section est circulaire et épouse la forme dudit circuit magnétique, et une face extérieure comportant des parties courbes et des parties planes.
Avantageusement, ledit circuit magnétique comporte au moins une seconde partie qui possède au moins une surface plane. Avantageusement ledit dispositif d'induction électromagnétique comprend un échangeur thermique local en contact avec ledit circuit magnétique en dehors de ladite ou desdites premières parties.
Avantageusement, ledit échangeur thermique local comporte au moins une surface épousant la forme dudit circuit magnétique et au moins une surface plane.
Avantageusement, une section dudit circuit magnétique est de forme circulaire le long du contact avec au moins un dit échangeur thermique local. Avantageusement, plusieurs surfaces choisies parmi au moins une dite surface plane dudit circuit magnétique et au moins une dite surface plane dudit ou desdits échangeurs thermiques locaux, sont coplanaires et adaptées à être mises en contact avec au moins un échangeur thermique plan.
Avantageusement, ledit circuit magnétique comporte au moins une feuille de matériau magnétique isolée électriquement sur au moins l'une de ses faces et enroulée sur au moins un élément choisi parmi au moins une autre dite feuille de matériau magnétique et elle-même.
Avantageusement, chaque dit manchon comprend plusieurs parties adaptées à coopérer pour entourer ledit circuit magnétique. Avantageusement, au moins un dit manchon comporte au moins un moyen d'engagement adapté à transmettre un entraînement pour permettre la rotation de chaque dit manchon autour de chaque dit axe longitudinal de chaque dite première partie, afin d'enrouler et de ranger au moins un dit conducteur électrique en feuille autour de chaque dit manchon.
Avantageusement, ledit dispositif d'induction électromagnétique comporte deux conducteurs électriques plans en contact électrique avec un dit conducteur électrique et agencés de manière à former les bornes dudit conducteur électrique.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages, détails et caractéristiques de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif d'induction électromagnétique,
la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un circuit magnétique et d'un échangeur thermique plan,
- la figure 3 est une vue schématique en perspective d'une partie du circuit magnétique et d'un échangeur thermique local,
la figure 4 est une vue schématique en perspective d'une part d'un manchon et d'autre part d'une partie d'un manchon,
la figure 5 est une vue schématique en perspective d'une partie du circuit magnétique, d'un manchon et d'un conducteur électrique,
la figure 6 est une vue schématique en perspective de détails d'une partie du dispositif d'induction électromagnétique,
la figure 7 est une vue schématique de dessus de deux enroulements de matériau magnétique.
La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l'invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l'invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l'invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
La figure 1 présente une vue schématique en perspective d'un dispositif d'induction électromagnétique 1 . Le circuit magnétique 2 est fermé et sans entrefer. Dans cette réalisation particulière de l'invention, il possède une section de forme circulaire le long de l'ensemble du circuit 2. Il est entouré par un manchon 3 sur une partie rectiligne du circuit magnétique, appelée première partie 1 1 . Le manchon 3, dans une réalisation particulière de l'invention, peut être fabriqué dans un matériau isolant, par exemple par le procédé d'isolation par vide compacte (« Compact Vacuum Insulation », US 5157893 A). Le circuit magnétique 2 possède au moins une partie rectiligne, ou du moins, assimilable à une partie rectiligne devant la longueur du manchon 3. Un conducteur électrique 4 en feuille est enroulé autour du manchon 3. Dans une réalisation particulière de l'invention, la feuille peut être en aluminium. La feuille doit être isolée électriquement au moins sur l'une de ses faces pour garder les propriétés d'une bobine électromagnétique. Dans une réalisation particulière de l'invention, on utilise l'oxydation de la surface du conducteur électrique 4, du vernis, ou de la colle, ou un mélange de vernis et de colle pour isoler électriquement les superpositions de la feuille de conducteur électrique 4.
La figure 2 présente une vue schématique en perspective d'un circuit magnétique 2 et d'un échangeur thermique plan 14. Le circuit magnétique 2 représenté dans cette réalisation particulière de l'invention possède plusieurs parties distinctes : des premières parties 1 1 , définies précédemment et des parties possédant chacune au moins une surface plane dudit circuit magnétique 13, appelées secondes parties 12. Dans une réalisation particulière de l'invention, certaines de ces surfaces planes peuvent être coplanaires et adaptées à être mises en contact avec un échangeur thermique plan 14. Cette configuration permet de contrôler ou de limiter la température du dispositif lors d'une utilisation à forte puissance. Dans l'exemple de la figure 2, les deux surfaces planes 13 sont coplanaires et adaptées à être mises en contact avec un échangeur thermique plan 14. Pour des raisons de clarté de la représentation, l'échangeur thermique plan 14 est mis en contact avec deux autres surfaces planes 13, coplanaires et non référencées par la figure. La figure 3 est une vue schématique en perspective d'une partie du circuit magnétique 2 et d'un échangeur thermique local 15, aussi appelé berceau. L'échangeur thermique local 15 est en contact avec une portion du circuit magnétique 2 autre qu'une première partie 1 1 . L'échangeur thermique local 15 possède une face qui épouse la forme du circuit magnétique 2 pour maximiser la surface de contact et ainsi favoriser le transfert thermique, pour une forme de circuit magnétique 2 donnée. En outre, l'échangeur thermique local 15 présente au moins une surface plane 22. Dans la figure 3, l'échangeur thermique local 15 présente plusieurs surfaces planes 22, dont une coïncide avec une surface plane 13. Dans la réalisation particulière de l'invention représentée dans la figure 3, la portion de circuit magnétique 2 possède une section de forme circulaire le long du contact avec l'échangeur thermique local 15.
Le panneau « A » de la figure 4 présente une vue schématique en perspective d'un manchon 3. Le panneau « B » de la figure 4 présente une partie d'un manchon 6. Dans cette réalisation particulière de l'invention, le manchon 3 présenté est composé de deux parties de manchon 6. Une partie de manchon 6 seule ne peut pas entourer le circuit magnétique 2. En revanche, il est possible d'assembler solidairement différentes parties de manchons 6 en coopération pour entourer le circuit magnétique 2 et former un manchon 3. Une telle coopération est présentée dans la figure 4.
La figure 4 présente également des moyens d'engagement 17 des manchons 3, qui peuvent être selon les réalisations des trous, encoches, saillies, ténons ou mortaises. Ces moyens d'engagements 17 sont utiles pendant la fabrication du dispositif 1 . Une fois une feuille métallique conductrice accrochée à l'extérieur du manchon 3, une tige peut venir s'enfoncer dans chaque moyen d'engagement 17 puis transmettre un couple moteur qui permet une rotation du manchon 3 autour de l'axe longitudinal d'une première partie 1 1 de circuit magnétique 2. Cette rotation permet d'enrouler la feuille métallique autour du manchon 3 et ainsi de former un enroulement de conducteur électrique 4 autour du circuit magnétique 2. La figure 4 présente un manchon dont la face intérieure 7 possède une section circulaire. Cet attribut est essentiel pour pouvoir effectuer une rotation du manchon 3 autour du circuit magnétique 2 selon l'axe longitudinal d'une première partie 1 1 , lors de la fabrication du dispositif. En revanche, la face extérieure 8, c'est-à-dire la face latérale du manchon, comporte une partie courbe 19 et une partie plane 20. On peut aussi définir la face extérieure 8 comme une face axiale : c'est une surface qui peut être définie par un ensemble de droites parallèles à l'axe principal du manchon. Sur la face extérieure 8, la fabrication du dispositif requiert l'absence d'angle trop marqué qui pourrait induire la rupture ou le déchirement de la feuille de conducteur électrique 4 lors de l'enroulement autour du manchon 3. L'alternance présentée en figure 4 entre partie courbe 19 et partie plane 20 permet de palier ce problème tout en gardant une partie plane 20, utile aux connectiques électriques du dispositif 1 . La partie plane 8 du manchon entraîne, lors d'un enroulement, l'agencement d'une partie plane d'une feuille métallique entourant le manchon 3, localisée sur la partie plane 8. Un contact plan entre la feuille métallisée et un autre élément peut ainsi être réalisé, permettant par exemple un transfert de chaleur du dispositif d'induction électromagnétique vers cet élément. Cette caractéristique peut permettre de refroidir le dispositif d'induction électromagnétique.
La figure 5 est une vue schématique en perspective d'une partie du circuit magnétique 2, d'un manchon 3 et d'un conducteur électrique 4. Elle présente le conducteur électrique 4 en feuille enroulé autour du manchon 3, lui-même assemblé autour d'une première partie 1 1 de circuit magnétique 2 de section circulaire. La présence d'une partie courbe 19 et d'une partie plane 20 sur la face extérieure du manchon 8 se répercute sur la forme de l'enroulement : la figure 5 présente un enroulement de conducteur électrique 4 dont la partie extérieure présente aussi une partie courbe et une partie plane. Cet attribut est lui aussi utile aux connectiques électrique du dispositif 1 .
La figure 6 est une vue schématique en perspective de détails d'une première partie 1 1 du dispositif d'induction électromagnétique 1 . Dans une réalisation particulière de l'invention, deux conducteurs électriques plans 1 6 sont en contact mécanique et électrique avec le conducteur électrique 4 enroulé autour du caniveau. Ces deux conducteurs électriques plans 1 6 sont agencés de manière à former les bornes du conducteur électrique 4. Dans la partie A de la figure 6, le conducteur électrique plan 1 6 est en contact avec le conducteur électrique 4 au début de l'enroulement. Dans la partie B, le conducteur électrique plan 1 6 est en contact avec le conducteur électrique 4 à la fin de l'enroulement. Dans cette réalisation particulière de l'invention, les conducteurs électriques plans 16 peuvent être placés sur la partie plane 20 de la face extérieure 8 du manchon 3, et/ou sur les parties planes correspondantes de l'enroulement de conducteur électrique 4. Cette caractéristique permet de pouvoir plier les conducteurs électriques plans 1 6. Le pliage des conducteurs permet de faciliter la connexion électrique vers l'extérieur du dispositif 1 .
La figure 7 est une vue schématique de dessus de deux enroulements de matériau magnétique 21 . La partie A de la figure 7 décrit un enroulement 21 simple de matériau magnétique : une seule feuille de matériau magnétique 18 est enroulée sur elle-même. Cette feuille 18 est couverte sur au moins une de ses faces par un isolant électrique. Dans des réalisations particulières de l'invention, cet isolant peut être soit du vernis, soit de la colle, soit les deux. Cette configuration apporte deux avantages distincts au dispositif.
D'une part, le circuit magnétique 2 formé par l'enroulement 21 simple forme une succession de couches entre matériau magnétique et isolant électrique. Cette configuration permet d'éviter l'apparition de courants de Foucault en stratifiant le circuit magnétique 2. Ces courants, quand ils existent, entraînent des pertes énergétiques liées à la résistivité électrique du matériau magnétique. D'autre part, ce type d'enroulement permet de créer un circuit magnétique de section ronde. En effet, en partant d'une feuille de matériau magnétique 18 d'une largeur variable, la largeur de cette feuille 18 peut, pour un point fixe du circuit magnétique 2 et à chaque tour de l'enroulement, augmenter ou diminuer sensiblement. Cette largeur n'est pas visible sur la figure 7 car la représentation schématique est vue de dessus. En conséquence, en partant d'une feuille dont la forme globale est un losange, on peut fabriquer un circuit magnétique 2 dont une section est circulaire. Avec cette méthode, plus le nombre de tours dans l'enroulement 21 est élevé, plus la forme de la section peut s'approcher de manière exacte d'un cercle. Pour la clarté de l'explication, les enroulements 21 de la figure 7 sont peu nombreux. Dans une réalisation particulière de l'invention, le nombre d'enroulement peut être compris entre 20 et 600.
La partie B de la figure 7 présente un enroulement 21 de plusieurs feuilles de matériau magnétique 18 pour la fabrication du circuit magnétique 2. Une première feuille de matériau magnétique 18 est enroulée autour de deux feuilles de matériau magnétique 18, enroulées sur elles-mêmes. Cette configuration permet de multiplier les branches du circuit magnétique 2 dans le cas d'applications telles que la sélection de rapport de tensions dans un transformateur. Dans ce cas, un enroulement 21 peut être fabriqué par plusieurs feuilles de matériau magnétique 18 dont la largeur est croissante pour chacune des feuilles 18.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) comportant un circuit magnétique (2) fermé, sans entrefer, dont au moins une première partie (1 1 ) est sensiblement rectiligne et entourée par un manchon (3), ledit manchon (3) étant entouré d'un conducteur électrique (4) qui comporte au moins une feuille métallique isolée électriquement sur au moins l'une de ses faces, caractérisé en ce que :
- au moins ladite ou chaque dite première partie (1 1 ) dudit circuit magnétique (2) possède une section de forme circulaire ;
- ledit circuit magnétique (2) est stratifié par plusieurs couches de matériau magnétique séparées par un isolant électrique, et que
- au moins un dit manchon (3) comporte une face intérieure (7) dont la forme d'une section est circulaire et épouse la forme dudit circuit magnétique (2), et une face extérieure (8) comportant des parties courbes (19) et des parties planes (20).
Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) l'une des revendications précédentes dont ledit circuit magnétique (2) comporte au moins une seconde partie (12) qui possède au moins une surface plane (13).
3. Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un échangeur thermique local (15) en contact avec ledit circuit magnétique (2) en dehors de ladite ou desdites premières parties (1 1 ).
4. Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) selon la revendication 3, dont ledit échangeur thermique local (15) comporte au moins une surface épousant la forme dudit circuit magnétique (2) et au moins une surface plane (22).
5 Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) selon la revendication 4, dont une section dudit circuit magnétique (2) est de forme circulaire le long du contact avec ledit échangeur thermique local (15).
6. Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) selon l'une des revendications 3, 4 et 5, dont plusieurs surfaces choisies parmi au moins une dite surface plane dudit circuit magnétique (13) et au moins une dite surface plane dudit échangeur thermique local (22) est coplanaire et adaptée à être mises en contact avec au moins un échangeur thermique plan (14).
7. Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dont ledit circuit magnétique (2) comporte au moins une feuille de matériau magnétique (18) isolée électriquement sur au moins l'une de ses faces et enroulée sur au moins un élément choisi parmi au moins une autre dite feuille de matériau magnétique (18) et elle-même.
8. Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dont chaque dit manchon (3) comprend plusieurs parties (6) adaptées à coopérer pour entourer ledit circuit magnétique (2).
9. Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) selon l'une des revendications précédentes dont au moins un dit manchon (3) comporte au moins un moyen d'engagement (17) adapté à transmettre un entraînement pour permettre la rotation de chaque dit manchon (3) autour de chaque dit axe longitudinal de chaque dite première partie (1 1 ), afin d'enrouler et de ranger au moins un dit conducteur électrique (4) en feuille autour de chaque dit manchon (3).
10. Dispositif d'induction électromagnétique (1 ) selon l'une des revendications précédentes, comportant deux conducteurs électriques plans (1 6) en contact électrique avec un dit conducteur électrique (4) et agencés de manière à former les bornes dudit conducteur électrique (4).
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