CA2872723C

CA2872723C - Transformateur triphase a trois noyaux magnetiques avec bobinages radial et annulaire

Info

Publication number: CA2872723C
Application number: CA2872723A
Authority: CA
Inventors: Cedric Duval
Original assignee: Labinal Power Systems SAS
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: CN104412342B; RU2014149800A; FR2990559B1; US9424978B2; CN104412342A; EP2847774A1; EP2847774B1; RU2630477C2; US20150145626A1; CA2872723A1; FR2990559A1; BR112014028093A2; WO2013167830A1

Abstract

Transformateur (10) triphasé comprenant une partie primaire (11; 12) et une partie secondaire (12; 11), la partie primaire (11) comprenant un premier corps en matériau ferromagnétique et des bobines primaires, la partie secondaire (12) comprenant un deuxième corps en matériau ferromagnétique et des bobines secondaires (28, 29a, 29c, 30), le premier corps délimitant une première encoche (22) annulaire d'axe A et une deuxième encoche (23) annulaire d'axe A, les bobines primaires comprenant une première bobine (24) torique d'axe A dans la première encoche (22), une deuxième bobine (27) torique d'axe A dans la deuxième encoche (23), et une ou plusieurs troisièmes bobines (25a, 25d) reliées en série, lesdites troisièmes bobines (25a, 25d) étant enroulées autour d'une desdites jambes en passant dans des encoches (36) dans ladite jambe.

Description

TRANSFORMATEUR TRIPHASE A TROIS NOYAUX MAGNETIQUES AVEC
BOBINAGES RADIAL ET ANNULAIRE
Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des transformateurs. En particulier, l'invention concerne un transformateur triphasé tournant.
Un transformateur triphasé tournant permet de transférer de l'énergie et/ou des signaux entre deux axes tournants l'un par rapport à
l'autre, sans contact.
Les figures 1 et 2 représentent chacune un transformateur triphasé 1 tournant selon l'art antérieur.
Le transformateur 1 comprend trois transformateurs monophasés tournants 2 correspondant à des phases U, V et W. Chaque transformateur monophasé tournant 2 comprend une partie 3 et une partie 4 tournant autour d'un axe A l'une par rapport à l'autre. La partie 3 est par exemple un stator et la partie 4 un rotor, ou inversement. En variante, la partie 3 et la partie 4 sont toutes les deux mobiles en rotation par rapport à un repère fixe non représenté. Une bobine 5 torique est logée dans une encoche 6 délimitée par un corps en matériau ferromagnétique de la partie 3. Une bobine 7 torique est logée dans une encoche 8 délimitée par un corps en matériau ferromagnétique de la partie 4. Pour chaque transformateur monophasé tournant 2, les bobines 5 et 7 forment les bobines primaire et secondaire (ou inversement).
La figure 1 représente une variante appelée en U dans laquelle la partie 3 entoure la partie 4 par rapport à l'axe A, et la figure 2 représente une variante appelée en E ou en Pot dans laquelle la partie 3 et la partie 4 sont l'une à côté de l'autre selon la direction axiale.
Le transformateur triphasé 1 de la figure 1 ou 2 présente une masse et un volume importants puisqu'il n'est pas possible d'utiliser au mieux les flux magnétiques de chaque phase, contrairement à un transformateur triphasé à flux forcés statique dans lequel il est possible de coupler les flux. De plus, dans le cas de la figure 2, il est nécessaire d'utiliser des conducteurs électriques de sections différentes en fonction de la distance entre l'axe de rotation et la phase, pour conserver l'équilibre des résistances.

2 Le document US 2011/0050377 décrit un transformateur triphasé tournant à quatre colonnes. Ce transformateur présente une masse et un volume importants. Ce document décrit également un transformateur triphasé tournant à cinq colonnes. Ce transformateur présente une masse et un volume importants. De plus, il utilise un bobinage radial passant dans des encoches dans les colonnes centrales du circuit magnétique, ce qui est plus complexe que le bobinage torique utilisé dans les transformateurs des figures 1 et 2.
Il existe donc un besoin pour améliorer la topologie d'un transformateur triphasé.
Objet et résumé de l'invention L'invention propose un transformateur triphasé comprenant une partie primaire et une partie secondaire, la partie primaire comprenant un premier corps en matériau ferromagnétique et des bobines primaires, la partie secondaire comprenant un deuxième corps en matériau ferromagnétique et des bobines secondaires, le premier corps délimitant une première encoche annulaire d'axe A et une deuxième encoche annulaire d'axe A, la première encoche étant délimitée par une première jambe latérale, une jambe centrale et une couronne, la deuxième encoche étant délimitée par la jambe centrale, une deuxième jambe latérale et la couronne, les bobines primaires comprenant une première bobine torique d'axe A
dans la première encoche, une deuxième bobine torique d'axe A dans la deuxième encoche, et une ou plusieurs troisièmes bobines reliées en série, lesdites troisièmes bobines étant enroulées autour d'une desdites jambes en passant dans des encoches dans ladite jambe.
Dans ce transformateur, si l'on fait circuler dans les bobines primaires des courants triphasés de sens appropriés, compte tenu du sens des bobines primaires, les potentiels magnétiques des première, deuxième et troisièmes bobines primaires sont dirigés vers ou à l'opposé d'un point commun, ce qui conduit à un couplage des flux. Cela permet un dirnensionnement réduit du transformateur en termes de volume et de masse. De plus, le primaire du transformateur utilise en partie des simples

3 bobines toriques d'axe A, ce qui permet une structure particulièrement simple.
Selon un mode de réalisation, lesdites troisièmes bobines sont enroulées autour de ladite jambe centrale.
Selon un mode de réalisation, la partie primaire et la partie secondaire sont mobiles en rotation autour de l'axe A, l'une par rapport à
l'autre.
Dans ce cas, l'invention fournit un transformateur triphasé
tournant qui présente, grâce au couplage des flux, une masse et un volume réduits, notamment par rapport à l'utilisation de trois transformateur tournant monophasés.
Selon un mode de réalisation, le deuxième corps délimite une première encoche secondaire annulaire d'axe A et une deuxième encoche secondaire annulaire d'axe A, la première encoche secondaire étant délimitée par une première jambe latérale secondaire, une jambe centrale secondaire et une couronne secondaire, la deuxième encoche secondaire étant délimitée par la jambe centrale secondaire, une deuxième jambe latérale secondaire et la couronne secondaire, les bobines secondaires comprenant une première bobine secondaire torique d'axe A dans la première encoche secondaire, une deuxième bobine secondaire torique d'axe A dans la deuxième encoche secondaire, et une ou plusieurs troisièmes bobines secondaires reliées en série, lesdites troisièmes bobines étant enroulées autour d'une desdites jambes secondaires en passant dans des encoches dans ladite jambe secondaire.
Dans ce mode de réalisation, le secondaire est réalisé selon le même principe que le primaire. Le secondaire contribue donc également à
limiter la masse et le volume du transformateur, et permet la réalisation du transformateur en utilisant uniquement des bobines toriques d'axe A.
Selon un autre mode de réalisation, le secondaire est réalisé
selon un principe différent que le primaire. Par exemple, il utilise, pour chaque phase, une ou plusieurs bobines entourant la jambe correspondante.
Selon un mode de réalisation, la première jambe latérale et la première jambe latérale secondaire sont dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un entrefer, la première jambe centrale et la première jambe centrale secondaire sont dans le prolongement l'une de

4 l'autre et séparées par un entrefer, et la deuxième jambe latérale et la deuxième jambe latérale secondaire sont dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un entrefer.
La partie primaire peut entourer la partie secondaire par rapport à l'axe A ou inversement. Cela correspond à une réalisation d'un transformateur appelée en U .
La partie primaire et la partie secondaire peuvent être situées l'une à côté de l'autre dans la direction de l'axe A. Cela correspond à une réalisation d'un transformateur appelée en E ou en Pot .
Dans un mode de réalisation, la partie primaire et la partie secondaire sont fixes l'une par rapport à l'autre. Un transformateur fixe conforme à l'invention présente des mêmes avantages qu'un transformateur tournant conforme à l'invention.
Selon un mode de réalisation, le premier corps et le deuxième corps en matériau ferromagnétique entourent complètement les bobines primaires et les bobines secondaires.
Dans ce cas, le transformateur est cuirassé magnétiquement.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- les figures 1 et 2 sont chacune une vue en coupe d'un transformateur triphasé tournant selon l'art antérieur, - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe d'un transformateur tournant triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective éclatée du circuit magnétique du transformateur des figures 3 et 4, - la figure 6 est un schéma électrique représentant un exemple de connexion des bobines du transformateur des figures 3 et 4, - la figure 7 une vue en perspective éclatée du circuit magnétique d'un transformateur tournant triphasé cuirassé
magnétiquement, à flux liés forcés, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 8 est une vue en coupe d'un transformateur fixe triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, selon un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 9 est une vue en coupe d'un transformateur fixe

5 triphasé, à flux liés forcés, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, - la figure 10 est une vue en coupe d'un transformateur tournant triphasé, à flux liés forcés, selon un premier mode de réalisation utile à la compréhension de l'invention, - la figure 11 une vue en perspective éclatée du circuit magnétique du transformateur de la figure 10, - la figure 12 est un schéma électrique illustrant le fonctionnement du transformateur de la figure 10, - la figure 13 est une vue en perspective éclatée du circuit magnétique d'un transformateur selon un deuxième mode de réalisation utilise à la compréhension de l'invention, pouvant être considéré comme une variante du transformateur de la figure 10, et - la figure 14 est une vue en coupe d'un transformateur tournant, à flux liés forcés, selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe d'un transformateur 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 10 est un transformateur tournant triphasé cuirassé nnagnétiquement, à
flux liés forcés.
Le transformateur 10 comprend une partie 11 et une partie 12 aptes à tourner autour d'un axe A l'une par rapport à l'autre. La partie 11 est par exemple un stator et la partie 12 un rotor, ou inversement. En variante, la partie 11 et la partie 12 sont toutes les deux mobiles en rotation par rapport à un repère fixe non représenté.
La partie 12 comprend une couronne 13 d'axe A et trois jambes 14, 15 et 16 en matériau ferromagnétique. Chacune des jambes 14, 15 et 16 s'étend radialement à distance de l'axe A, à partir de la couronne 13.
La jambe 14 se trouve à une extrémité de la couronne13, la jambe 16 se trouve à une autre extrémité de la couronne 13, et la jambe 15 se trouve

6 entre les jambes 14 et 16. La couronne 13 et les jambes 14 et 15 délimitent une encoche 34 annulaire ouverte radialement vers l'extérieur.
La couronne 13 et les jambes 15 et 16 délimitent une encoche 35 annulaire ouverte radialement vers l'extérieur. De manière générale, la couronne 13 et les jambes 14, 15 et 16 forment un corps en matériau ferromagnétique délimitant deux encoches 34 et 35 annulaires ouvertes radialement vers l'extérieur.
La partie 11 comprend une couronne 17 d'axe A et trois jambes 18, 19 et 20 en matériau ferromagnétique. La couronne 17 entoure la couronne 13. Chacune des jambes 18, 19 et 20 s'étendent radialement vers l'axe A, à partir de la couronne 17. La jambe 18 se trouve à une extrémité de la couronne 17, la jambe 20 se trouve à une autre extrémité
de la couronne 17, et la jambe 19 se trouve entre les jambes 18 et 20. La couronne 17 et les jambes 18 et 19 délimitent une encoche 22 annulaire ouverte radialement vers l'intérieur. La couronne 17 et les jambes 19 et 20 délimitent une encoche 23 annulaire ouverte radialement vers l'intérieur.
De manière générale, la couronne 17 et les jambes 18, 19 et 20 forment un corps en matériau ferromagnétique délimitant deux encoches 22 et 23 annulaires ouvertes radialement vers l'intérieur.
Les jambes 14 et 18, respectivement 15 et 19 ainsi que 16 et 20 se font face en délimitant un entrefer 21, et forment ainsi des colonnes du transformateur 10.
Les couronnes 13 et 17 ainsi que les jambes 14 à 16 et 18 à 20 forment un circuit magnétique du transformateur 10. Le transformateur 10 est donc un transformateur à trois colonnes. Plus précisément, le circuit magnétique du transformateur 10 comprend une première une première colonne (correspondant aux jambes 14 et 18), une deuxième colonne (correspondant aux jambes 15 et 19) et une troisième colonne (correspondant aux jambes 16 et 20).
Le transformateur 10 comprend des bobines 24, 25a, 25b, 25c, 25d et 26 fixées à la partie 11 et des bobines 28, 29a, 29b, 29c, 29d et 30 fixées à la partie 12. Ci-après, on utilise les notations p et s en référence à
une utilisation dans laquelle les bobines 24 à 26 sont les bobines primaires du transformateur 10 et les bobines 28 à 30 sont les bobines secondaires du transformateur 10. Cependant, primaire et secondaire peuvent bien entendu être inversés par rapport à l'exemple décrit.

7 La bobine 24 est une bobine torique d'axe A correspondant à
une phase Up du transformateur 10. Elle se trouve dans l'encoche 22 et présente n1 tours.
Les bobines 25a, 25b, 25c et 25d sont reliés en série et correspondent à une phase Vp du transformateur 10. Chacune des bobines 25a, 25b, 25c et 25d entoure une partie de la jambe 19 en passant dans des encoches 36 ménagées dans la jambe 19, comme représenté sur la figure 4. Ensemble, les bobines 25a, 25b, 25c et 25d présentent n1 tours Enfin, la bobine 26 est une bobine torique d'axe A
correspondant à une phase Wp du transformateur 10. Elle se trouve dans l'encoche 23 et présente n1 tours.
Autrement dit, le bobinage des phases Up et Wp est annulaire, autour de l'axe A, alors que le bobinage de la phase Vp s'effectue radialement autour de la colonne centrale (correspondant aux jambes 15 et 19).
Par bobine torique d'axe A, on entend une bobine dont les tours sont enroulés autour de l'axe A. Le terme torique n'est pas utilisé dans le sens limitatif faisant référence à un solide engendré par la rotation d'un cercle autour d'un axe. Au contraire, comme dans les exemples représenté, la section d'une bobine torique peut être rectangulaire, notamment.
La bobine 28 est une bobine torique d'axe A correspondant à
une phase Us du transformateur 10. Elle se trouve dans l'encoche 34 et présente nz tours.
Les bobines 29a, 29b, 29c et 29d sont reliés en série et correspondent à une phase Vs du transformateur 10. Chacune des bobines 29a, 29b, 29c et 29d entoure une partie de la jambe 15 en passant dans des encoches 37 ménagées 'dans la jambe 15, comme représenté sur la figure 4. Ensemble, les bobines 29a, 29b, 29c et 29d présentent nz tours Enfin, la bobine 30 est une bobine torique d'axe A
correspondant à une phase Ws du transformateur 10. Elle se trouve dans l'encoche 35 et présente n2 tours.
Autrement dit, comme au primaire, le bobinage des phases Us et Ws est annulaire, autour de l'axe A, alors que le bobinage de la phase

8 Vs s'effectue radialement autour de la colonne centrale (correspondant aux jambes 15 et 19).
Les bobines 24 et 28 entourent un noyau magnétique 32 situé
dans la couronne 13. Par noyau magnétique , on entend une partie du circuit magnétique dans laquelle le flux de même sens créé par une bobine est le plus important. Les courants circulants dans les bobines 24 et 28 correspondent donc à des potentiels magnétiques dans le noyau magnétique 32. De manière correspondante, les bobines 26 et 30 entourent un noyau magnétique 33 situé dans la couronne 13. Les courants circulants dans les bobines 26 et 30 correspondent donc à des potentiels magnétiques dans le noyau magnétique 33. Par ailleurs, les bobines 25a, 25b, 25c, 25d, 29a, 29b, 29c et 29d entourent un noyau magnétique 38 situé dans la colonne centrale formée par les jambes 15 et 19.
Le transformateur 410 présente donc trois noyaux magnétiques : Les noyaux 32 et 33 axiaux, et un noyau 38 radial le long de la colonne centrale.
La figure 5 est une vue en perspective éclatée du circuit magnétique du transformateur 10.
En référence à la figure 6, on explique maintenant le fonctionnement du transformateur 10. Sur la figure 6, on note :
- Ap, Bp et Cp, les points d'entrée des bobines primaires du transformateur 10. Les phases U, V, W de la figure 3 correspondent respectivement aux phases A, B et C de la figure 6, mais toutes autre type de correspondance est possible pour autant que la même correspondance soit réalisée au secondaire.
- Iap, Ibp et Icp, les courants entrant respectivement aux points Ap, Bp et C.
- Oap, Obp et Ocp, les points de connexion permettant l'ensemble des couplages électrique identiques à tout transformateur triphasé fixe (étoile-étoile, étoile-triangle, triangle-triangle, triangle-étoile, zigzag...).
- Les points noirs indiquent la relation entre le courant circulant dans une bobine et le sens du potentiel magnétique correspondant.
- Pa, Pb et Pc, les potentiels magnétiques dans les noyaux 32, 38 et 33 correspondant respectivement aux courants Iap, Ibp et Icp,

9 - As, Bs, Cs, Oas, Obs et Ocs, les points de sortie et de connexion au secondaire.
Comme représenté sur la figure 6, la bobine 24 correspond, pour le courant Iap, à un potentiel magnétique Pa axial dirigé vers la droite dans le noyau magnétique 32. Les bobines 25a, 25b, 25c et 25d correspondent, pour le courant Ibp, à un potentiel magnétique Pb radial dirigé vers le bas dans le noyau magnétique 38. Enfin, la bobine 26 correspond, pour le courant Icp, à un potentiel magnétique Pc axial dirigé
vers la gauche dans le noyau magnétique 33. Les potentiels magnétiques Pa, Pb et Pc sont égaux en modules, de sens opposés sur chaque noyau magnétique et symétriques par rapport au point de symétrie 39 situé à
l'intersection des trois noyaux.
Dans une variante non représentée, le sens de bobinages des bobines et/ou leurs points de connexion sont différents de sorte que les potentiels magnétiques Pa, Pb et Pc sont de sens opposés par rapport à
l'exemple représenté.
Cette configuration permet un couplage correct des flux. Plus précisément, la topologie du transformateur 10 permet d'obtenir un coefficient de couplage de 3/2.
Dans le mode de réalisation représenté, le transformateur 10 comprend quatre bobines primaires 25a à 25d en série et quatre bobines secondaires 29a à 29d en série. En variante, le nombre de bobines sur la colonne centrale peut être plus ou moins élevé. Le nombre de bobines sur la colonne centrale peut différer entre le primaire et le secondaire.
Dans l'exemple représenté, les encoches 36 et 37 sont ménagées dans la colonne centrale (jambes 15 et 19). Les bobines 25a à
25d et 29a à 29d entourent donc la colonne centrale et le noyau magnétique 38 est situé dans la colonne centrale. Dans une variante non représentée, les encoches 36 et 37 sont ménagées dans une des colonnes latérales (jambes 14 et 18 ou 16 et 20). Les bobines 25a à 25d et 29a à
29d entourent donc une des colonnes latérales et le noyau magnétique 38 est situé dans cette colonne latérale. Une telle variante est toutefois non cuirassée magnétiquement.
Le transformateur 10 présente plusieurs avantages.
Notamment, on peut constater que le circuit magnétique entoure complètement les bobines 24 à 30. Le transformateur 10 est donc cuirassé magnétiquement. De plus, certaines des bobines 24 à 30 sont des bobines toriques d'axe A. Le transformateur 10 permet donc d'utiliser des bobines de forme simple.
Par ailleurs, les phases du transformateur 10 peuvent être 5 équilibrées en inductance et en résistance.
Pour obtenir le coefficient de couplage théorique et l'équilibre triphasé, il est suffisant que les reluctances entre le point milieu de la couronne 17 et le point milieu de la couronne 13 passant par chaque colonne soient identiques.

10 Si l'entrefer crée des reluctances de colonnes importantes par rapport aux reluctances des couronnes 13 et 17, les reluctances des couronnes peuvent être négligées et il est donc possible d'obtenir un équilibrage partiel pour des colonnes de même reluctances. La conception du circuit magnétique peut donc être particulièrement simple.
Une amélioration de réalisation possible permettant un meilleur équilibre est d'augmenter légèrement la reluctance de la colonne centrale de façon à compenser le déséquilibre des reluctances dû aux reluctances secondaires (reluctance de la couronne, reluctance des franges,...). Pour ce faire, on peut entre-autres diminuer légèrement la largeur de la colonne centrale ou augmenter faiblement l'entrefer de celle-ci par rapport aux autres colonnes.
Il faut aussi prendre en compte la reluctance des encoches 36 et 37.
Enfin, le transformateur 10 présente une masse et un volume réduit.
En effet, si on compare le transformateur 10 au transformateur 1 des figures 1 ou 2, en considérant un dimensionnement à iso-performances, on peut faire les hypothèses suivantes :
- Matériau conducteur : Soit Q la quantité de matériau conducteur d'une bobine d'un des trois transformateurs monophasés du transformateur 1. La quantité de matériau conducteur au niveau des bobinages du transformateur 1 est donc de 3Q.
- Matériau magnétique : Si on conserve la même réluctance Re pour chaque colonne, chaque transformateur monophasé du transformateur 1 a une réluctance globale du circuit magnétique

11 proche de 2 Re. Dans le cas du transformateur 10, on a une réluctance globale du circuit magnétique proche de 3/2 Re.
Dans le cas du transformateur 10 on a donc, pour un même courant magnétisant et un même nombre de tour n1 que pour le transformateur 1, un champ d'induction et un flux double. En effet dans le cas du transformateur 1, on a un coefficient multiplicateur de [coefficient de couplage=1 / rapport de réluctance=2] soit 0.5 et dans le cas du transformateur 10 à flux liés on a [coefficient de couplage=3/2 / rapport de réluctance 3/2] soit 1. On trouve donc bien un rapport 2 (1/0.5). Cette propriété nous permet d'évaluer approximativement les possibilités d'optimisation du transformateur 10 par rapport au transformateur 1, à
iso-performances.
On choisit de diminuer le nombre de tours par -V2 ce qui induit une augmentation du champ d'induction de V2 mais permet d'avoir la .. même tension pour le même courant magnétisant.
Pour un dimensionnement à iso-pertes joules et résistance de phase, on a :
- Pour la bobine 24, on a besoin de V2 fois moins de tours donc la quantité de matériau conducteur est de Q/-V2. Si on est à iso-pertes joules la résistance (pl/S) est divisé aussi par V2 (longueur divisé
par V2) donc pour conserver les pertes joules on peut diviser la section par -V2 pour un même courant de charge, magnétisant et tension (en fait on n'aura peut-être pas un gain aussi important puisqu'il faut éviter les échauffements locaux, tout dépend de la conduction thermique). La quantité de matériau conducteur pour la bobine 24 est donc Q/2. Le même raisonnement s'applique à la bobine 26.
- Pour les bobines 25a, 25b, 25c et 25d, on a besoin de V2 fois moins de tours donc la quantité de matériau conducteur est de 2*Q/V2 = V2*Q. A iso-pertes joules, comme on a une longueur multipliée par -V2 par rapport à un transformateur monophasé en U, on multiplie la section par V2. On obtient donc que ces bobines nécessitent une quantité de matériau conducteur de 2Q.
La quantité globale de matériau conducteur à iso résistance de phase pour le transformateur 10 est donc : Q/2+ 2Q+ Q/2= 3*Q. Pour le transformateur 1, on avait 3*Q, soit la même quantité de matériaux

12 conducteur. A titre de comparaison, pour un transformateur triphasé fixe la quantité de matériau conducteur est de 3Q/2.
Concernant les pertes fer, malgré l'augmentation du champ d'induction B, on fait l'hypothèse que son augmentation par V2 permet de rester en régime non saturé (la réluctance élevée de l'entrefer favorise un dimensionnement du transformateur 10 avec un champ d'induction faible dans le matériau magnétique, en effet on augmente la surface d'entrefer afin de diminuer la réluctance de celui-ci et par là-même la surface de matériaux magnétique).
Les pertes par hystérésis sont en KF1132f*V et les pertes par courant de Foucault en KFB2f2*V avec :
V: Le volume f: la fréquence d'utilisation B : Le champ d'induction maximale KH : Une constante liée aux matériaux magnétique et à la structure du circuit magnétique KF : Une constante liée aux matériaux magnétique et à la structure du circuit magnétique On a donc deux fois plus de perte par unité de volume dans le cas de la transposition du transformateur 1 tournant standard vers le transformateur 10 triphasé à flux forcé ((V2 B)2 = 2B2).
Si on fait une évaluation du gain en volume du circuit magnétique, on peut estimer que l'on diminue celui-ci d'à peu près 42%
ce qui fait une augmentation globale d'à peu près 16% pour les pertes fer (0,58*2=1,16). Ceci est fonction bien sûr du premier dimensionnement effectué. Dans le cas d'un transformateur tournant, les pertes fer sont bien inférieures aux pertes joules et on peut donc considérer l'augmentation des pertes globales (inférieure à 8%) comme négligeable.
La figure 7 représente le circuit magnétique d'un transformateur (non représenté) selon un deuxième mode de réalisation.
Ce transformateur peut être considéré comme une variante en E ou en Pot du transformateur 10 en U de la figure 3. On utilise donc les mêmes références sur la figure 7 que sur la figure 3, sans risque de confusion, et une description détaillée du transformateur selon le deuxième mode de réalisation est omise. On signale simplement que les

13 références 13 et 17 correspondent à deux couronnes espacées axialement, que les jambes 14 à 16 et 18 à 20 s'étendent axialement entre les deux couronnes 13 et 17, et que les noyaux magnétiques sont ici situés dans les colonnes.
La figure 8 représente un transformateur 110 selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 110 peut être considéré comme un transformateur fixe correspondant au transformateur 10 tournant de la figure 3. Sur la figure 8, on utilise donc les mêmes références que sur la figure 3, augmentées de 100, pour désigner des éléments identiques ou similaires à ceux de la figure 3.
Le transformateur 110 comprend une couronne 113 d'axe A, trois jambes 114, 115 et 116 et une couronne 117 d'axe A en matériau ferromagnétique. Chacune des jambes 114, 115 et 116 s'étend radialement à distance de l'axe A, à partir de la couronne 113. La jambe 114 se trouve à une extrémité de la couronne 113, la jambe 116 se trouve à une autre extrémité de la couronne 113, et la jambe 115 se trouve entre les jambes 114 et 116. La couronne 117 entoure la couronne 113 et les jambes 114 à 116, en délimitant un entrefer 121.
Les couronnes 113 et 117 et les jambes 114 à 116 forment un circuit magnétique du transformateur 110 à trois colonnes. Plus précisément, le circuit magnétique du transformateur 110 comprend une première colonne (correspondant à la jambe 114), une deuxième colonne (correspondant à la jambe 115) et une troisième colonne (correspondant à
la jambe 116).
Le circuit magnétique du transformateur 110 délimite une encoche 122 entre les deux couronnes, la première colonne et la deuxième colonne, et une encoche 123 entre les deux couronnes, la deuxième colonne et la troisième colonne.
Comme représenté sur la figure 8, le transformateur 110 comprend des bobines 124, 125a, 125d (ainsi que deux bobines non représentées), 126, 128, 129a, 129c (ainsi que deux bobines non représentées) et 130 correspondant aux bobines 24 à 30 du transformateur 10.
Le transformateur 110 est un transformateur fixe triphasé
cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, et à circuit magnétique à trois

14 colonnes. Il présente un fonctionnement et des avantages similaires au transformateur 10 de la figure 3.
La figure 9 représente un transformateur 210 selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 210 peut être considéré comme une variante non cuirassée magnétiquement du transformateur 110 cuirassé magnétiquement de la figure 8. On utilise donc les mêmes références sur la figure 9 que sur la figure 8, sans risque de confusion, et une description détaillée du transformateur 210 est omise. On signale simplement que le circuit magnétique du transformateur 210 n'entoure pas complétement les bobines 124, 128, 126 et 130 et que le transformateur 210 n'est donc pas cuirassé magnétiquement, contrairement au transformateur 110.
La figure 10 est une vue en coupe d'un transformateur 310 selon un premier mode de réalisation utile à la compréhension de l'invention. Le transformateur 310 est un transformateur tournant triphasé, à flux liés forcés, et peut être considéré comme une variante du transformateur 10 de la figure 3. Ainsi, sur la figure 10 (et les figures 11 à

13), les éléments identiques ou similaires à des éléments du transformateur 10 de la figure 3 sont désignés par les mêmes références, sans risque de confusion. Ci-après, on décrit en détail les spécificités du transformateur 310.
A la place de la bobine torique 24, le transformateur 310 comprend quatre bobines, dont une bobine 324a et une bobine 324d sont représentées sur la figure 10, reliés en série et qui passent dans des encoches 36 ménagées dans la jambe 18 (les encoches 36 sont visibles sur la figure 11). De manière correspondante, à la place de la bobine torique 28, le transformateur 310 comprend quatre bobines, dont une bobine 328a et une bobine 328d sont représentées sur la figure 10, reliés en série et qui passent dans des encoches 37 ménagées dans la jambe 15.
De même, à la place de la bobine torique 26, le transformateur 310 comprend quatre bobines, dont une bobine 326a et une bobine 326d sont représentées sur la figure 10, reliés en série et qui passent dans des encoches 36 ménagées dans la jambe 20. De manière correspondante, à
la place de la bobine torique 30, le transformateur 310 comprend quatre bobines, dont une bobine 330a et une bobine 330c sont représentées sur la figure 10, reliés en série et qui passent dans des encoches 37 ménagées dans la jambe 16.
Autrement dit, de manière similaire à la phase centrale, le bobinage des phases latérale ne s'effectue plus autour de l'axe de rotation 5 A mais radialement autour de chaque colonne. Le transformateur 310 présente donc trois noyaux magnétiques radiaux : Un noyau 38 dans la colonne centrale formée par les jambes 15 et 19, un noyau 39 dans la colonne formée par les jambes 14 et 18, et un noyau 40 dans la colonne formée par les jambes 16 et 20.
10 La figure 12, sur laquelle on utilise les mêmes notations que sur la figure 6, illustre le fonctionnement du transformateur 310.
Sur la figure 12, les bobines 324a, 324d et les bobines non représentée qui leur sont reliées correspondent, pour un courant iap, à un potentiel magnétique Pa radial dirigé vers l'axe A dans le noyau

15 magnétique 39. De même, les bobines 25a, 25b, 25c et 25d correspondent, pour un courant Ibp, à un potentiel magnétique Pb radial dirigé l'axe A dans le noyau magnétique 38. Enfin, les bobines 326a, 326d et les bobines non représentée qui leur sont reliées correspondent, pour un courant Icp, à un potentiel magnétique Pc radial dirigé vers l'axe A dans le noyau magnétique 40.
Les potentiels magnétiques Pa, Pb et Pc sont égaux en modules et tous dirigés vers l'axe A. Dans une variante non représentée, les potentiels magnétiques Pa, Pb et Pc sont de sens opposés par rapport à
l'exemple représenté, c'est-à-dire ils sont tous dirigés à distance de l'axe A.
Cette configuration permet un couplage correct des flux. Plus précisément, la topologie du transformateur 310 permet d'obtenir le même coefficient de couplage de 3/2 que dans le cas du transformateur 10 décrit ci-dessus. Pour obtenir le coefficient de couplage théorique et l'équilibre triphasé, il est suffisant que les reluctances entre le point milieu de la couronne 17 et le point milieu de la couronne 13 passant par chaque colonne soient identiques.
Le transformateur 310 présente les mêmes avantages que le transformateur 10, sauf l'utilisation uniquement de bobines toriques. Le transformateur 310 permet notamment d'obtenir un couplage des phases permettant de retrouver le coefficient multiplicateur 3/2.

16 Dans le mode de réalisation représenté, le transformateur 310 comprend, pour chaque phase, quatre bobines primaires en série (bobines 25a à 25d dans le cas de la phase centrale) et quatre bobines secondaires en série (bobines 29a à 29d dans le cas de la phase centrale). En variante, le nombre de bobines sur chaque colonne peut être plus ou moins élevé.
Le nombre de bobines sur chaque colonne peut différer entre le primaire et le secondaire.
Le transformateur 310 représenté sur les figures 10 à 12 est un transformateur en U . Dans une variante non représentée, un transformateur en E ou en Pot présente une topologie similaire.
Dans ce cas, les noyaux magnétiques sont axiaux. La figure 13 représente, en vue en perspective éclatée, un circuit magnétique permettant de réaliser une telle variante en E . Les éléments correspondant à des éléments de la figure 11 sont désignés par les mêmes références, sans risque de confusion.
Dans le transformateur 10 de la figure 3 et dans le transformateur 310 de la figure 10, les bobinages permettent de reproduire les flux triphasés dans les trois colonnes du transformateur de façon équivalente à un transformateur fixe triphasé à flux liés forcés. De même, dans les transformateurs non représentés selon les variantes en E basées respectivement sur le circuit magnétique de la figure 7 ou de la figure 13, les bobinages permettent de reproduire les flux triphasés dans les trois colonnes du transformateur de façon équivalente à un transformateur fixe triphasé à flux liés forcés.
Ainsi, les primaire et secondaires de ces transformateurs sont compatibles. De manière générale, le primaire du transformateur 10 est compatible avec tout secondaire dont la topologie permet de reproduire des flux triphasés dans trois colonnes de façon équivalente à un transformateur fixe triphasé à flux liés forcés. Ainsi, dans le transformateur 10, les primaire et secondaire sont réalisés selon le même principe. Toutefois, dans une variante, le primaire ou le secondaire est réalisé selon un principe différent, par exemple selon celui du transformateur 310 des figures 10 à 12.
La figure 15 est une vue en coupe d'un transformateur 410 selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, qui utilise le primaire du transformateur 10 et le secondaire du transformateur 310.

17 Sur la figure 15, on utilise donc les mêmes références que sur la figure 3 ou sur la figure 10, et une description détaillée est omise.
De manière connue, un transformateur peut comprendre plusieurs secondaires. Ainsi, dans un mode de réalisation non représenté, les bobinages de chaque secondaire peuvent être simultanément réalisés suivant le principe du transformateur 10 et le principe du transformateur 310 sur le même corps si celui-ci possède les encoches nécessaires au niveau des jambes pour le passage des bobines selon le principe du transformateur 310.

Claims

REVENDICATIONS

1. Transformateur triphasé comprenant une partie primaire et une partie secondaire ayant un axe commun A de symétrie, la partie primaire comprenant un premier corps en matériau ferromagnétique et des bobines primaires, la partie secondaire comprenant un deuxième corps en matériau ferromagnétique et des bobines secondaires, le premier corps délimitant une première encoche annulaire d'axe A et une deuxième encoche annulaire d'axe A, la première encoche étant délimitée par une première jambe latérale, une jambe centrale et une couronne, la deuxième encoche étant délimitée par la jambe centrale, une deuxième jambe latérale et la couronne, les bobines primaires comprenant une première bobine torique d'axe A dans la première encoche, une deuxième bobine torique d'axe A
dans la deuxième encoche, et une ou plusieurs troisièmes bobines reliées en série, lesdites troisièmes bobines étant enroulées autour d'une desdites jambes en passant dans des encoches dans ladite jambe ;
dans lequel le deuxième corps délimite une première encoche secondaire annulaire d'axe A et une deuxième encoche secondaire annulaire d'axe A, la première encoche secondaire étant délimitée par une première jambe latérale secondaire, une jambe centrale secondaire et une couronne secondaire, la deuxième encoche secondaire étant délimitée par la jambe centrale secondaire , une deuxième jambe latérale secondaire et la couronne secondaire, les bobines secondaires comprenant une première bobine secondaire torique d'axe A dans la première encoche secondaire, une deuxième bobine secondaire torique d'axe A dans la deuxième encoche secondaire, et une ou plusieurs troisièmes bobines secondaires en série, lesdites troisièmes bobines secondaires étant enroulées autour d'une desdites jambes secondaires en passant dans des encoches dans ladite jambe secondaire ;
dans lequel la première jambe latérale et la première jambe latérale secondaire sont dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un entrefer, la première jambe centrale et la première jambe centrale secondaire sont dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un entrefer, et la deuxième jambe latérale et la deuxième jambe latérale secondaire sont dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un entrefer; et dans lequel la partie primaire et la partie secondaire sont configurées selon l'une de :
i) la partie primaire entoure la partie secondaire par rapport à l'axe A ;
ii) la partie secondaire entoure la partie primaire par rapport à l'axe A ; et iii) la partie primaire et la partie secondaire sont situées l'une à côté
de l'autre dans la direction de l'axe A.

2. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel lesdites troisièmes bobines sont enroulées autour de ladite jambe centrale.

3. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la partie primaire et la partie secondaire sont mobiles en rotation autour de l'axe A, l'une par rapport à l'autre.

4. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel la partie primaire et la partie secondaire sont fixes l'une par rapport à l'autre, et les premier et deuxième corps en matériau ferromagnétique forment un même corps en matériau ferromagnétique.

5. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1. à 4, dans lequel le premier corps et le deuxième corps en matériau ferromagnétique entourent complètement les bobines primaires et les bobines secondaires.