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TRANSFORMATEUR POUR HAUTE INTENSITE.
La construction de transformateurs pour haute intensité, en particulier ceux destinés à l'alimentation de mutateurs ou convertisseurs à contactsdonne lieu aux difficultés suivantes : Les intensités élevées exigent des conducteurs d'une section très importante. Dans les enroulements de bo- bines en fil, utilisés couramment dans la construction de transformateurs, il est nécessaire de connecter en parallèle un grand nombre de bobines établies avec du fil de faible diamètre, étant donné qu'en raison de leur rigidité les fils d'une section trop importante ne se prêtent pas au pliage nécessaire en vue de la formation de bobines. Le branchement en parallèle de plusieurs bobines est compliqué et long.
Lorsqu'il est fait usage d'enroulements en tôle, on constate, dans la construction courante de transformateurs à colonnes et d'enroulements cylindriques, des pertes accrues sur les bords, dues au fait que le champ de dispersion, qui se referme en dehors du circuit magnéti- que,, pénètre dans les tôles par le côté large de celle-ci. D'autre part, les conducteurs de sortie qui d@@@ent être connectés à l'enroulement en tôle, donnent également lieu à des difficultés et à des pertes supplémentaires. Or, les connexions du transformateur et les liaisons électriques, par lesquelles des groupes d'éléments de bobine sont réunis en une seule bobine, sont difficiles à établir du point de vue technologique et, de plus, sont le siège d'autres pertes.
Ces dernières ne se limitent nullement aux connexions mêmes; au contraire, les champs intenses auxquels elles donnent lieu provoquent des pertes dans les éléments métalliques de la construction qui sont situés dans leur voisinageo De plus, les champs de dispersion intenses en provena@@de l'enroulement de haute intensité et des conducteurs de sortie déterminent des chutes de tension inductives indésirables, dont les effets sont d'autant plus marqués que les tensions sont habituellement peu élevées dans le cas de hautes intensitéso Il en résulte qu'il est impossible de construire, tout en leur assurant un rendement élevé, des transformateurs de grande puissance destinés aux très faibles tensions,
soit de quelques volts - transformateurs dont l'em- ploi est souvent indiqué - étant donné que la tension induite dans le trans-
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formateur serait absorbée dans une mesure notable par l'ensemble des chutes de tension, avant de parvenir jusqu'aux bornes de raccordement.
L'invention a pour objet un transformateur pour haute intensité à noyau de fer toroïdal et à enroulement de haute intensité constitué par des conducteurs tubulaires, transformateur dans lequel les difficultés énumérées plus haut ont été éliminées par le fait que, conformément à l'invention, l'enroulement de haute intensité forme une enveloppe pour le noyau du transformateur et pour l'enroulement primaire et est constitué par des conducteurs cylindriques fixes, disposés d'une manière concentrique entre eux et coaxialement par rapport à l'axe du noyau, ainsi que par des éléments conducteurs chevauchant les intervalles annulaires entre cesconducteurs et prévus sur les faces en bout desdits conducteurs tubulaires, avec cette particularité que les connexions de l'enroulement de haute intensité s'avancent,
à partir d'un côté en bout tout au moins, sous la forme de tubes concentriques entre eux et orientés suivant l'axe du noyau.
L'emploi d'éléments de construction cylindriques pour l'enroulement de haute intensité de transformateurs a pour résultat que la fenêtre du noyau peut désormais présenter des dimensions plus petites que dans les procédés d'exécution de bobinages pratiqués à ce jour ; pertes s'en trou- vent réduites. Les lignes de force magnétiques, engendrées par l'enroulement de haute intensité, ne trouvent sur leur trajet que les arêtes, étroites en elles-mêmes, des conducteurs tubulaires de celui-ci, vu la forme circulaire de ces arêteso
Grâce à l'enveloppement concentrique de l'enroulement primaire et du noyau de fer du transformateur, la dispersion entre ces deux éléments se trouve réduite, tandis que l'espace situé en dehors de l'enroulement secondaire est complètement exempt de champ.
Par conséquent, l'inductance parasite de l'ensemble du dispositif ne présente qu'une valeur minime et, d'autre part, on évite complètement dans des éléments de construction voisins, des pertes dues à l'action de champs de dispersion.
La forme annulaire, adoptée pour le transformateur et l'enroulement de haute intensité, permet de réaliser une construction parfaitement symétrique par rapport à un axe,cependant que les ampère-tours sont directement compensés en tous les points, ceci jusqu'aux p oints de raccordement du transformateur.
Les Figures 1 à 7 des dessins annexés représentent schématiquement et en coupe longitudinale des exemples des possibilités de construction et d'application du transformateur selon l'invention, avec omission des détails de construction purement mécaniques et des détails du branchement, qui ne sont pas essentiels pour la compréhension de l'invention.
Dans toutes les Figures le noyau en fer du transformateur est désigné par a; il porte un enroulement primaire b. Le noyau du transformateur présente une forme toroïdale et est soit constitué par un empilage d'éléments de noyau formés par des enroulements de bande de fer, soit enroulé en une bande dont la largeur correspond à la hauteur du noyau. Cependant, le noyau peut aussi être constitué par un paquet de pièces poinçonnées dans des plaques de tôle.
L'enroulement secondaire ou à haute intensité,destiné à alimenter un dispositif récepteur de courant (non représenté) enclave le noyau du transformateur et l'enroulement primaire à la manière d'une enve- loppe. Cette dernière est constituée par des conducteurs tubulaires fixes, disposés concentriquement entre eux et par rapport à l'axe du noyau, ainsi que par les éléments conducteurs prévus sur le côté en bout des conducteurs tubulaires et chevauchant les intervalles annulaires entre ces derniers.
Dans le transformateur selon la Fig. 1, l'enveloppe est à double paroi. Ces parois sont constituées respectivement par les conducteurs tubulaires concentriques c.., c3' srtués à l'intérieur du noyau toroidal a, par les conducteurs tubulaires concentriques c2' c4' situés à l'extérieur de ce noyau et concentriques à celui-ci, ainsi que par les éléments con-
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ducteurs d1 à d4 qui relient les bords en bout des conducteurs tubulaires.
Les conducteurs tubulaires cl à c4 sont branchés en sérieo Les connexions des enroulements sont constituées par des conducteurs tubulaires concentriques el, e qui s'avancent à partir de ces enroulements dans le sens axial du noyau et qui sont solidaires, respectivement, du conducteur tubulai- re extérieur c4 et du conducteur tubulaire intérieur cl, proche du noyau du transformateur.
Les conducteurs tubulaires peuvent être constitués par des enroulements en tôleo
Afin de permettre la sortie de la connexion d'enroulement du @ conducteur tubulaire c1' situé à l'intérieur du noyau en fer, vers l'exté- rieur de l'enveloppe, les conducteurs de liaison d2' prévus aux bords en bout supérieurs des conducteurs tubulaires c1' c, doivent être pourvus d'ouvertures de traversée, cela lorsque les conducteurs de liaison présen- tent la forme de disques.
On peut réaliser le même objectif lorsque les élé- ments conducteurs qui enjambent l'espace annulaire entre les conducteurs tu- bulaires présentent la forme de rayons de roue aux endroits en questiono
Dans les transformateurs isolés au liquide, on a la possibili- té d'utiliser l'enroulement de haute intensité de ceux-ci, ou des parties de cet enroulement, comme réservoir à huile. Dans ce cas, le conducteur tu- bulaire c3' situé dans la fenêtre et le plus proche de l'axe du transforma- teur peut servir comme paroi de réservoir, ou bien, le réservoir peut être constitué par le tube extérieur c4' qui enclave le noyau, après que ce tube aura été muni d'une plaque de fond.
Au lieu de connecter en série des conducteurs tubulaires con- centriques, dont deux sont situés à l'intérieur du noyau du transformateur et deux autres à l'extérieur de celui-ci, comme représenté dans la Figo 1, on peut connecter les conducteurs tubulaires en parallèle, comme représenté dans les Figures 2 et 3, les croisements entre les conducteurs tubulaires intérieurs et extérieurs étant aisément réalisables.
Les transformateurs selon l'invention sont particulièrement avantageux dans les installations appelées à produire un courant continu de haute intensité à l'aide d'un mutateur ou convertisseur à contacts com- biné avec une bobine d'inductance de coupure à noyau toroïdal, destinée à produire des intervalles de faible courant au cours de la période de con- tact. Les Figures 4 à 7 représentent des exemples d'un tel montage, dans lesquels le noyau toroïdal de l'inductance de coupure f est prévu concen- triquement avec le noyau a du transformateur..
Le noyau de la bobine d'in- ductance est traversé au moins en partie par le courant de l'enroulement à haute intensitéo Ici également, l'enroulement secondaire, qui enclave à la manière d'une enveloppe le noyau du transformateur et l'enroulement primai- re, peut être constitué seulement par deux conducteurs tubulaires cl, c4, situés respectivement à l'intérieur et à l'extérieur du noyau du transfor- mateur, et par des connexions concentriques el e2 qui s'avancent à partir du transformateur suivant l'axe de celui-ci (voir Figures 4 à 6), ou bien, cet enroulement secondaire peut être constitué par une double paroi (voir Figo 7).L'enveloppe du transf ormateur est établie de manière à enclaver le noyau de l'inductance de coupure.
Elle se compose dans ce cas des conduc- teurs tubulaires concentriques cl, c4 des éléments conducteurs de liaison d1' d4 et des connexions concentriques e1 et e2' Une telle enveloppe peut être établie de façon à former une double paroi du moins autour de la bobi- ne d'inductance de coupure, comme représenté dans la Figo 50 Dans ce dernier cas, l'enveloppe de la bobine d'inductance est constituée par deux conducteurs tubulaires concentriques el et e11 situés à l'extérieur du noyau de cette bo- bine et par deux conducteurs tubulaires concentriques e, e22 situés à l'in-
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térieur de la fenêtre de ce noyau, ainsi que par les deux conducteurs de liaison prévus sur les bords en bout.
A titre d'autre exemple, la Figo 6 représente Inapplication d'un transformateur établi selon l'invention, avec inductance de coupure, aux mu.- tateurs à contacts comprenant un montage Graetz décomposé. Dans ce cas, le conducteur tubulaire c1' c , situé à l'intérieur du noyau du transformateur et de celui de la bobine d'inductance de coupure et faisant partie de l'en- veloppe constituée par l'enroulement de haute intensité, aboutit à un systè- me de distribution d'une phase, tandis qu'une connexion dérivée depuis ce conducteur tubulaire aboutit à l'autre système de distribution du montage Graetz décomposé et que le conducteur tubulaire e1 de l'enveloppe, qui est situé à l'extérieur du noyau, aboutit au point neutre du transformateur.
Finalement, la Fig. 7 représente un transformateur selon l'in- vention combiné avec des bobines d'inductance de coupure et destiné à la marche d'un convertisseur à contacts, le montage représenté étant en push- pull. Ici, les bobines d'inductance de coupure fl, f2 sont disposées sur les deux côtés en bout du noyau du transformateur, à l'intérieur de l'enveloppe formée par l'enroulement de haute intensité et coaxialement avec le noyau toroïdal a du transformateur. Les conducteurs de courant c1' c2 et c3' c4 de l'enroulement à haute intensité, qui alimentent la phase et la contre- phase, sont branchés en parallèle. Partant de la prise médiane de cet enrou- lement, la sortie 20 aboutit au point neutre du transformateur.
D'ailleurs, le transformateur selon la Figo 7 comporte, en ce qui concerne l'enveloppe, les mêmes éléments que ceux représentés dans la Fig. 1, les organes analo- gues étant désignés par les mêmes signes de référence dans les deux Figs.
Eventuellement, les bobines d'inductance f1' f2 peuvent être enclavées de tous les côtés par l'enroulement de haute intensité, de la manière repré- sentée dans la Fig. 50 La disposition selon la Figure 7 est également appli- cable sans bobines d'inductance.
Dans tous les exemples d'exécution représentés, les noyaux des bobines d'inductance de coupure ont été constitués par des enroulements en bande de tôleo Dans cette construction, les noyaux töroïdaux peuvent être soit formés en une bande de tôle d'une largeur égale à la hauteur du noyau, soit composés de plusieurs noyaux élémentaires de faible hauteur mis bout à bout et ayant un axe commun. La caractéristique magnétique de la matière con- stitutive des noyaux du transformateur et des inductances de coupure doit être adaptée aux exigences de chacun de ceux-ci. Les noyaux des transforma- teurs peuvent être établis en fer au silicium et ceux des bobines d'induc- tance de coupure, en fer au nickel.
Les transformateurs selon l'invention peuvent être utilisés tant dans un montage série que dans un montage parallèle. On peut en outre utiliser sans difficulté des combinaisons monophasées, comportant chacune un transformateur et une bobine d'inductance de coupure, pour convertis- seurs tri- ou polyphasés. Les différents transformateurs peuvent être placés dans ce cas este à côte ou les uns au-dessus des autres.
Les noyaux peuvent être établis avec des disques estampés ou de toute autre manière, par exemple en poudre ferromagnétique.
Contrairement à la disposition de la Fig. 1, les connexions des enroulements peuvent être prévues sur les conducteurs tubulaires situés à l'extérieur du noyau du transformateur, chacun des conducteurs tubulaires intérieurs, c'est-à-dire proches du noyau du transformateur, étant relié à l'un des conducteurs tubulaires extérieurs par croisement des conducteurs de liaison prévus à une extrémité en bout.
REVENDICATIONS.
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HIGH INTENSITY TRANSFORMER.
The construction of transformers for high current, in particular those intended for supplying transformers or converters with contacts, gives rise to the following difficulties: High currents require conductors with a very large section. In the windings of wire coils, commonly used in the construction of transformers, it is necessary to connect in parallel a large number of coils established with wire of small diameter, since due to their rigidity the wires d Too large a section does not lend themselves to the bending required for the formation of coils. The parallel connection of several coils is complicated and time consuming.
When sheet metal windings are used, in the current construction of column transformers and cylindrical windings, increased losses at the edges are observed, due to the fact that the dispersion field, which closes outside of the magnetic circuit ,, enters the sheets through the wide side thereof. On the other hand, the output conductors which must be connected to the sheet winding also give rise to additional difficulties and losses. However, the connections of the transformer and the electrical connections, by which groups of coil elements are united in a single coil, are difficult to establish from a technological point of view and, moreover, are the seat of other losses.
These are by no means limited to the connections themselves; on the contrary, the intense fields to which they give rise cause losses in the metallic elements of the construction which are located in their vicinity. In addition, the intense stray fields from the high intensity winding and the output conductors determine undesirable inductive voltage drops, the effects of which are all the more marked as the voltages are usually low in the case of high currents o The result is that it is impossible to build, while ensuring high efficiency, high power transformers intended for very low voltages,
or a few volts - transformers whose use is often indicated - given that the voltage induced in the trans-
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trainer would be absorbed to a significant extent by all the voltage drops, before reaching the connection terminals.
The invention relates to a transformer for high intensity toroidal iron core and high intensity winding constituted by tubular conductors, a transformer in which the difficulties enumerated above have been eliminated by the fact that, in accordance with the invention, the high current winding forms an envelope for the core of the transformer and for the primary winding and consists of fixed cylindrical conductors, arranged concentrically with each other and coaxially with respect to the axis of the core, as well as by conductive elements overlapping the annular gaps between these conductors and provided on the end faces of said tubular conductors, with the feature that the connections of the high intensity winding advance,
from one side to the end at least, in the form of tubes concentric with one another and oriented along the axis of the core.
The use of cylindrical construction elements for the high current winding of transformers has resulted in the core window now being able to have smaller dimensions than in the winding execution methods practiced to date; losses are reduced. The magnetic lines of force, generated by the winding of high intensity, find in their path only the edges, narrow in themselves, of the tubular conductors of this one, given the circular shape of these edges.
Thanks to the concentric envelopment of the primary winding and the iron core of the transformer, the dispersion between these two elements is reduced, while the space outside the secondary winding is completely free of field.
Consequently, the parasitic inductance of the entire device has only a minimal value and, on the other hand, losses due to the action of scattering fields are completely avoided in neighboring construction elements.
The annular shape, adopted for the transformer and the high intensity winding, allows a perfectly symmetrical construction with respect to an axis, while the ampere-turns are directly compensated at all points, up to the points of transformer connection.
Figures 1 to 7 of the accompanying drawings show schematically and in longitudinal section examples of the possibilities of construction and application of the transformer according to the invention, with omission of the purely mechanical construction details and of the connection details, which are not essential for understanding the invention.
In all the Figures the iron core of the transformer is designated by a; it has a primary winding b. The core of the transformer has a toroidal shape and is either constituted by a stack of core elements formed by windings of iron tape, or wound into a tape whose width corresponds to the height of the core. However, the core can also be formed by a package of punched parts in sheet metal plates.
The secondary or high current winding, intended to supply a current receiving device (not shown) encloses the core of the transformer and the primary winding in the manner of an envelope. The latter is constituted by fixed tubular conductors, arranged concentrically with one another and with respect to the axis of the core, as well as by the conductive elements provided on the end side of the tubular conductors and overlapping the annular intervals between the latter.
In the transformer according to Fig. 1, the casing is double-walled. These walls are formed respectively by the concentric tubular conductors c .., c3 'srtués inside the toroidal core a, by the concentric tubular conductors c2' c4 'located outside this core and concentric with it, as well as by the elements con-
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conductors d1 to d4 which connect the edges at the end of the tubular conductors.
The tubular conductors cl to c4 are connected in series o The connections of the windings are formed by concentric tubular conductors el, e which advance from these windings in the axial direction of the core and which are integral, respectively, with the tubular conductor. re exterior c4 and the interior tubular conductor cl, close to the transformer core.
The tubular conductors can be formed by sheet metal windings.
In order to allow the exit of the winding connection of the tubular conductor c1 'located inside the iron core, to the outside of the casing, the connecting conductors d2' provided at the upper end edges tubular conductors c1 'c must be provided with through openings, when the connecting conductors are in the form of discs.
The same objective can be achieved when the conductive elements which span the annular space between the tubular conductors have the shape of wheel spokes at the places in question.
In liquid-insulated transformers, it is possible to use the high current winding thereof, or parts of it, as an oil reservoir. In this case, the tubular conductor c3 'located in the window and closest to the axis of the transformer can serve as the tank wall, or else, the tank can be formed by the outer tube c4' which encloses the core, after this tube has been fitted with a bottom plate.
Instead of connecting in series concentric tubular conductors, two of which are located inside the transformer core and two others outside of it, as shown in Figo 1, the tubular conductors can be connected. in parallel, as shown in Figures 2 and 3, the crossings between the inner and outer tubular conductors being easily achievable.
The transformers according to the invention are particularly advantageous in installations called upon to produce a direct current of high intensity using a transformer or converter with contacts combined with a toroidal core chopping inductor coil, intended for produce low current intervals during the contact period. Figures 4 to 7 show examples of such an arrangement, in which the toroidal core of the cut-off inductor f is provided concentrically with the core a of the transformer.
The core of the inductance coil is traversed at least in part by the current of the high-current winding. Here also the secondary winding, which encloses the core of the transformer like a shell and the primary winding, can be constituted only by two tubular conductors cl, c4, located respectively inside and outside the core of the transformer, and by concentric connections el e2 which protrude from the transformer along the axis of the latter (see Figures 4 to 6), or else, this secondary winding can be formed by a double wall (see Figo 7). The transformer casing is established so as to enclose the core of the cut-off inductance.
It consists in this case of the concentric tubular conductors cl, c4 of the conductive connecting elements d1 'd4 and of the concentric connections e1 and e2' Such an envelope can be established so as to form a double wall at least around the bobi - no cut-off inductance, as shown in Fig. 50 In the latter case, the casing of the inductance coil consists of two concentric tubular conductors el and e11 located outside the core of this coil and by two concentric tubular conductors e, e22 located at the
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outside the window of this core, as well as by the two connecting conductors provided on the end edges.
By way of another example, FIG. 6 represents the application of a transformer established according to the invention, with cut-off inductance, to contact switches comprising a decomposed Graetz assembly. In this case, the tubular conductor c1 'c, located inside the core of the transformer and that of the cut-off inductance coil and forming part of the envelope constituted by the high current winding, ends to a one-phase distribution system, while a connection derived from this tubular conductor leads to the other distribution system of the decomposed Graetz assembly and the tubular conductor e1 of the casing, which is located at the outside the core, ends at the neutral point of the transformer.
Finally, FIG. 7 shows a transformer according to the invention combined with cut-off inductance coils and intended for operating a converter with contacts, the assembly shown being in push-pull. Here, the cut-off inductance coils fl, f2 are arranged on both end sides of the transformer core, inside the envelope formed by the high current winding and coaxially with the toroidal core a of the transformer . The current conductors c1 'c2 and c3' c4 of the high current winding, which supply the phase and the counter phase, are connected in parallel. Starting from the center tap of this winding, output 20 ends at the neutral point of the transformer.
Moreover, the transformer according to Figo 7 comprises, as regards the casing, the same elements as those shown in Fig. 1, the analogous organs being designated by the same reference signs in both Figs.
Optionally, the inductance coils f1 'f2 can be interlocked on all sides by the high current winding, as shown in FIG. 50 The arrangement according to Figure 7 is also applicable without inductance coils.
In all the examples of execution shown, the cores of the cut-off inductance coils were formed by sheet metal strip windings. the height of the core, or composed of several elementary cores of low height placed end to end and having a common axis. The magnetic characteristic of the constituent material of the transformer cores and of the cut-off inductors must be adapted to the requirements of each of these. The cores of the transformers can be made of silicon iron and those of the cut-off inductance coils of nickel iron.
The transformers according to the invention can be used both in a series connection and in a parallel connection. Single-phase combinations can also be used without difficulty, each comprising a transformer and a cut-off inductance coil, for three- or polyphase converters. In this case, the different transformers can be placed side by side or on top of each other.
The cores can be made with stamped disks or in any other way, for example ferromagnetic powder.
Unlike the arrangement in FIG. 1, the connections of the windings can be provided on the tubular conductors located outside the core of the transformer, each of the inner tubular conductors, i.e. close to the core of the transformer, being connected to one of the conductors outer tubulars by crossing the connecting conductors provided at one end to the end.
CLAIMS.
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