EP0727794B1 - Transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, et convertisseur d'énergie à résonance doté d'une tel transformateur - Google Patents

Transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, et convertisseur d'énergie à résonance doté d'une tel transformateur Download PDF

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EP0727794B1
EP0727794B1 EP19960200430 EP96200430A EP0727794B1 EP 0727794 B1 EP0727794 B1 EP 0727794B1 EP 19960200430 EP19960200430 EP 19960200430 EP 96200430 A EP96200430 A EP 96200430A EP 0727794 B1 EP0727794 B1 EP 0727794B1
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magnetic
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
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    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
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    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F2027/348—Preventing eddy currents

Definitions

  • the invention relates to a transformer, in particular for an energy converter, comprising a primary winding and a secondary winding established on a magnetic circuit able to channel the flow of primary winding to secondary winding. She extends to a resonant energy converter with a such a transformer.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of transformers due to the existence of a magnetic flux leakage, and intends to provide a transformer designed to remove nuisance linked to this magnetic leakage flux.
  • Another object of the invention is to provide a resonant energy converter from simplified design compared to converters of current resonance energy.
  • the invention aims, first place, a transformer whose magnetic circuit includes at least three branches, called lateral and central (s), connected to each other, to each of their ends, by two crosspieces.
  • Such a transformer therefore has the particularity of integrating, by design, a self leak whose flow is channeled into the material of the circuit magnetic, and whose characteristics can be adjusted according to the thickness and section of the air gap.
  • the presence of the closed coil avoids radiation to the outside of the flow magnetic leakage and therefore leads to a determination very precise characteristics of the self, and even in the range of high frequencies in conversion of energy, i.e. frequencies higher than 10 kHz.
  • Such an invention thus makes it possible to remove the nuisances linked to the existence of the flow of magnetic leak, using it to achieve a controlled self, and leads to supply a component integrating the functions of self and transformer which so far required two separate components.
  • this design ensures galvanic isolation and obtain performance of excellent dielectric strength.
  • patent DE 36 09617 describes a device in which two air gaps interrupt the magnetic circuit comprising the coils, and the common flow branch is devoid of air gap. This device therefore constitutes a coupled circuit which cannot act as a transformer, and its teaching does not can in no way suggest the object of the invention.
  • Patent DE 11 22627 describes, for its part, a magnetic amplifier whose primary windings and secondary are arranged on the same branch of the circuit magnetic, and having an air gap on another branch able to generate a coupling on a third winding.
  • the primary and secondary windings are crossed by the same magnetic flux, and the air gap cannot therefore constitute a controlled self such as that of the invention, materialized by the difference in flux between primary and secondary.
  • One of the applications of the invention aims thus the realization of energy converters constituted of a transformer connected in series with a choke, and this invention extends to energy converters to resonance incorporating a transformer as described above and at least one capacity connected in series and / or in parallel with the transformer, the air gap of said transformer being adjusted so that the resulting choke either a resonant choke capable of making it possible to obtain a high frequency in energy conversion, i.e. a frequency above 10 kHz between primary circuits and secondary.
  • Such a resonant energy converter has the advantage of being made up of a number of components restricted compared to energy converters at current resonance, and has a cost price lower and a simplified design compared to these last.
  • transformers represented schematically in Figures 2 to 4 show the particularity of integrating the functions of self and transformer that so far required two separate components. Such transformers are particularly intended for the realization of resonant energy converters, as shown schematically at Figure 1, comprising, in addition to said transformers, a electronic switch assembly I mounted on at least one capacity C, and a rectifier stage plus loads R.
  • the air gap and the capacity are adjusted so as to obtain a resonant frequency, that is to say a frequency greater than 10 kHz.
  • each of these transformers have a magnetic circuit 1 consisting of two identical elements 2, 3 adapted for be arranged in an inverted position with respect to the other, said elements having transversely the general shape of an E, one of the branches of which has a shorter length than other branches.
  • the magnetic circuit 1 thus formed therefore has three parallel branches, one branch central 4 and two side branches 5, 6, connected to each other, towards each of their ends, in pairs sleepers 7, 8.
  • One of the branches of this circuit magnetic 1 has an air gap 9 forming a choke controlled leak, the characteristics of which may be adjusted according to the thickness and the section of said air gap.
  • elements 2, 3 of the magnetic circuit 1 can be designed so that the air gap 9 is provided, either in line with the central branch 4 (FIG. 2), either to the right of one of the lateral branches, in example 6 (figure 3).
  • the transformer also has a primary winding 10 and a secondary winding 11 arranged respectively around the branches without air gap 9 and therefore mounted on a closed magnetic circuit at low magnetic reluctance with respect to an open circuit including an air gap. So according to the variant of embodiment shown in Figure 2, these windings primary 10 and secondary 11 are arranged respectively around the lateral branches 5, 6. On the other hand, according to the alternative embodiment shown in Figures 3 and 4, these primary 10 and secondary 11 windings are arranged respectively around the central branch 4 and one of the side branches 5.
  • the transformer has a turn closed exterior 12 arranged around the magnetic circuit 1 and intended to avoid the radiation of the magnetic flux of leak to the outside.
  • this outer fiber can be constituted by a housing 12 of a metallic material enclosing the circuit magnetic 1.

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Description

L'invention vise un transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, comportant un bobinage primaire et un bobinage secondaire établis sur un circuit magnétique apte à canaliser le flux de l'enroulement primaire vers l'enroulement secondaire. Elle s'étend à un convertisseur d'énergie à résonance doté d'un tel transformateur.
Un des inconvénients majeurs que présentent actuellement les transformateurs existants réside dans le fait que ces derniers présentent un flux magnétique de fuite pénalisant à double titre de tels transformateurs. En effet, et en premier lieu, ce flux magnétique génère des courants de Foucault qui engendrent des pertes au contact des conducteurs électriques. De plus, ce flux magnétique de fuite rayonnant dans l'air environnant, son comportement est fonction des caractéristiques électro-magnétiques de cet environnement. De ce fait, ce flux magnétique de fuite s'avère, dans la pratique, incontrôlable.
La seule solution actuelle proposée pour pallier ces inconvénients consiste à tenter de minimiser ce flux magnétique de fuite. A cet effet, la solution la plus courante consiste à réaliser autour du circuit magnétique un capotage formant une fibre extérieure fermée qui empêche le flux magnétique de fuite de rayonner à l'extérieur du transformateur. Une telle solution a pour avantage de limiter le flux magnétique de fuite en supprimant une partie de ce dernier. Toutefois, elle ne résout pas les problèmes liés à l'existence de ce flux magnétique de fuite car elle permet seulement de le minimiser mais non de le contrôler.
La présente invention vise à pallier les inconvénients des transformateurs dus à l'existence d'un flux magnétique de fuite, et se propose de fournir un transformateur conçu pour permettre de supprimer les nuisances liées à ce flux magnétique de fuite.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un convertisseur d'énergie à résonance de conception simplifiée par rapport aux convertisseurs d'énergie à résonance actuels.
A cet effet, l'invention vise, en premier lieu, un transformateur dont le circuit magnétique comporte au moins trois branches, dites latérales et centrale(s), reliées les unes aux autres, vers chacune de leurs extrémités, par deux traverses.
Selon l'invention, ce transformateur se caractérise en ce que :
  • les bobinages primaire et secondaire sont disposés respectivement autour de deux branches distinctes reliées par les traverses de façon à former avec ces dernières un circuit fermé à faible réluctance magnétique par rapport à un circuit ouvert, c'est-à-dire un circuit comprenant un entrefer,
  • la troisième branche comporte un entrefer d'épaisseur prédéterminée ajustable entre une valeur minimale donnée et une valeur maximale sensiblement égale à la longueur de ladite branche, apte à canaliser le flux magnétique de fuite du transformateur correspondant à la différence de potentiel magnétique entre les traverses,
  • une spire extérieure fermée est disposée autour du circuit magnétique.
L'invention a donc consisté à réaliser un transformateur :
  • dont les bobinages primaire et secondaire sont disposés sur deux branches distinctes d'un circuit fermé et sont donc traversés par des flux de valeurs différentes,
  • comportant une branche à flux commun dotée d'un entrefer constituant une self contrôlée dont les caractéristiques sont déterminées par la différence de valeur entre les flux traversant les deux branches du circuit fermé.
Un tel transformateur a donc la particularité d'intégrer, de par sa conception, une self de fuite dont le flux est canalisé dans le matériau du circuit magnétique, et dont les caractéristiques peuvent être ajustées en fonction de l'épaisseur et de la section de l'entrefer.
De plus, la présence de la spire fermée permet d'éviter les rayonnements vers l'extérieur du flux magnétique de fuite et conduit donc à une détermination très précise des caractéristiques de la self, et ce même dans la gamme des hautes fréquences en conversion d'énergie, c'est-à-dire des fréquences supérieures à 10 kHz.
Une telle invention permet ainsi de supprimer les nuisances liées à l'existence du flux de fuite magnétique, en utilisant celui-ci de façon à réaliser une self contrôlée, et conduit à fournir un composant intégrant les fonctions de self et de transformateur qui nécessitaient, jusqu'à présent, deux composants distincts.
Par ailleurs, une telle conception selon laquelle les bobinages primaire et secondaire sont dissociés, conduit à minimiser le couplage capacitif entre lesdits bobinages primaire et secondaire, et assure de ce fait une barrière vis à vis des parasites de mode commun qui confère au transformateur des performances excellentes en terme de compatibilité électro-magnétique (notamment sur les lignes de sortie).
En outre, cette conception permet d'assurer des isolements galvaniques et d'obtenir des performances de rigidité diélectrique excellentes.
Il est à noter qu'il était connu notamment des brevets DE 36 09617 et DE 11 22627 de réaliser des circuits magnétiques du type décrit dans le préambule de la revendication 1 et dont au moins une des branches comporte un entrefer. Toutefois, les objectifs visés dans ces brevets sont totalement différents de ceux visés par l'invention, et la conception des dispositifs décrits dans ces derniers ne suggère en rien de réaliser un transformateur conforme à l'invention.
En effet, le brevet DE 36 09617 décrit un dispositif dans lequel deux entrefers interrompent le circuit magnétique comportant les bobines, et dont la branche de flux commun est dépourvu d'entrefer. Ce dispositif constitue donc un circuit couplé ne pouvant faire office de transformateur, et son enseignement ne saurait en aucun cas suggérer l'objet de l'invention.
Le brevet DE 11 22627 décrit, quant à lui, un amplificateur magnétique dont les bobinages primaire et secondaire sont disposés sur une même branche du circuit magnétique, et comportant un entrefer sur une autre branche apte à générer un couplage sur un troisième bobinage. De par cette conception, les bobinages primaire et secondaire sont traversés par le même flux magnétique, et l'entrefer ne peut donc constituer une self contrôlée telle que celle de l'invention, matérialisée par la différence de flux entre primaire et secondaire.
Une des applications de l'invention vise ainsi la réalisation de convertisseurs d'énergie constitués d'un transformateur monté en série avec une self, et cette invention s'étend à des convertisseurs d'énergie à résonance incorporant un transformateur tel que décrit ci-dessus et au moins une capacité montée en série et/ou en parallèle avec le transformateur, l'entrefer dudit tansformateur étant ajusté de façon que la self résultante soit une self de résonance apte à permettre d'obtenir une haute fréquence en conversion d'énergie, c'est-à-dire une fréquence supérieure à 10 kHz entre les circuits primaire et secondaire.
Un tel convertisseur d'énergie à résonance offre l'avantage d'être constitué d'un nombre de composants restreint par rapport aux convertisseurs d'énergie à résonance actuels, et présente un coût de revient inférieur et une conception simplifiée par rapport à ces derniers.
D'autres caractéristiques buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent à titre d'exemples non limitatifs deux variantes de réalisation. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description :
  • la figure 1 est un schéma équivalent d'un convertisseur d'énergie conforme à l'invention,
  • la figure 2 est une vue schématique frontale d'une première variante de réalisation d'un transformateur conforme à l'invention,
  • la figure 3 est une vue schématique frontale d'une deuxième variante de réalisation de ce transformateur,
  • et la figure 4 est une vue en perspective schématique d'un transformateur conforme à celui représenté à la figure 3.
Les transformateurs représentés schématiquement aux figures 2 à 4 présentent la particularité d'intégrer les fonctions de self et de transformateur qui nécessitaient jusqu'à présent deux composants distincts. De tels transformateurs sont particulièrement destinés à la réalisation de convertisseurs d'énergie à résonance, tel que schématisés à la figure 1, comportant, outre lesdits transformateurs, un ensemble interrupteur électronique I monté sur au moins une capacité C, et un étage redresseur plus charges R.
Dans ce cas, l'entrefer et la capacité sont ajustés de façon à obtenir une fréquence de résonance, c'est-à-dire une fréquence supérieure à 10 kHz.
Tel que représenté à la figure 4, chacun de ces transformateurs comporte un circuit magnétique 1 constitué de deux éléments identiques 2, 3 adaptés pour être disposés en position inversée l'un par rapport à l'autre, lesdits éléments présentant transversalement la forme générale d'un E dont l'une des branches présente une longueur inférieure à celle des autres branches.
Le circuit magnétique 1 ainsi formé comporte donc trois branches parallèles, une branche centrale 4 et deux branches latérales 5, 6, reliées les unes aux autres, vers chacune de leurs extrémités, par deux traverses 7, 8.
De plus une des branches de ce circuit magnétique 1 comporte un entrefer 9 formant une self de fuite contrôlée dont les caractéristiques peuvent être ajustées en fonction de l'épaisseur et de la section dudit entrefer.
En outre, tel que représenté respectivement aux figures 2 et 3, les éléments 2, 3 du circuit magnétique 1 peuvent être conçus de façon que l'entrefer 9 soit ménagé, soit au droit de la branche centrale 4 (figure 2), soit au droit d'une des branches latérales, en l'exemple 6 (figure 3).
Le transformateur comporte également un bobinage primaire 10 et un bobinage secondaire 11 disposés respectivement autour des branches dépourvues d'entrefer 9 et donc montés sur un circuit magnétique fermé à faible réluctance magnétique par rapport à un circuit ouvert comprenant un entrefer. Ainsi, selon la variante de réalisation représentée à la figure 2, ces bobinages primaire 10 et secondaire 11 sont disposés respectivement autour des branches latérales 5, 6. Par contre, selon la variante de réalisation représentée aux figures 3 et 4, ces bobinages primaire 10 et secondaire 11 sont disposés respectivement autour de la branche centrale 4 et d'une des branches latérales 5.
Le transformateur comporte enfin, une spire extérieure fermée 12 disposée autour du circuit magnétique 1 et destinée à éviter le rayonnement du flux magnétique de fuite vers l'extérieur. Tel que schématisé à la figure 4, cette fibre extérieure peut être constituée par un boítier 12 en un matériau métallique renfermant le circuit magnétique 1.

Claims (6)

  1. Transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, comportant un bobinage primaire (10) et un bobinage secondaire (11) établis sur un circuit magnétique (1) apte à canaliser le flux de l'enroulement primaire (10) vers l'enroulement secondaire (11), le circuit magnétique (1) comportant au moins trois branches (4-6), dites latérales et centrale(s), reliées les unes aux autres, vers chacune de leurs extrémités, par deux traverses (7, 8), ledit transformateur étant caractérisé en ce que :
    les bobinages primaire (10) et secondaire (11) sont disposés respectivement autour de deux branches distinctes (5, 6 ; 4, 5) reliées par les traverses (7, 8) de façon à former avec ces dernières un circuit magnétique fermé à faible réluctance magnétique par rapport à un circuit magnétique ouvert, c'est-à-dire un circuit comprenant un entrefer,
    au moins une des autres branches (4 ; 6) comporte un entrefer (9) d'épaisseur prédéterminée ajustable entre une valeur minimale donnée et une valeur maximale sensiblement égale à la longueur de ladite branche, apte à canaliser le flux magnétique de fuite du transformateur correspondant à la différence de potentiel magnétique entre les traverses (7, 8),
    une spire extérieure fermée (12) est disposée autour du circuit magnétique.
  2. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la spire extérieure est constituée par un boítier (12) en un matériau métallique renfermant le circuit magnétique (1).
  3. Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend trois branches (4-6), la branche du circuit magnétique (1) présentant un entrefer (9) étant la branche centrale (4) dudit circuit magnétique.
  4. Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend trois branches (4-6), la branche du circuit magnétique (1) présentant un entrefer (9) étant une des branches latérales (6) dudit circuit magnétique.
  5. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit magnétique (1) est constitué d'éléments identiques, (2, 3) adaptés pour être disposés en position inversée l'un par rapport à l'autre, lesdits éléments présentant transversalement la forme générale d'un E dont l'une des branches (4 ; 6) présente une longueur inférieure à celle des autres branches (5, 6 ; 4, 5).
  6. Convertisseur d'énergie à résonance caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur conforme à l'une des revendications 1 à 5 et au moins une capacité montée en série et/ou en parallèle avec ledit transformateur, l'entrefer (9) dudit transformateur étant ajusté de façon que la self résultante soit une self de résonance apte à permettre d'obtenir une haute fréquence en conversion d'énergie, c'est-à-dire une fréquence supérieure à 10 kHz entre les circuits primaire (10) et secondaire (11).
EP19960200430 1995-02-20 1996-02-19 Transformateur, notamment pour convertisseur d'énergie, et convertisseur d'énergie à résonance doté d'une tel transformateur Expired - Lifetime EP0727794B1 (fr)

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