EP2842136B1 - Cable en fils de litz - Google Patents

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EP2842136B1
EP2842136B1 EP13727369.4A EP13727369A EP2842136B1 EP 2842136 B1 EP2842136 B1 EP 2842136B1 EP 13727369 A EP13727369 A EP 13727369A EP 2842136 B1 EP2842136 B1 EP 2842136B1
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EP
European Patent Office
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tube
strands
conductor
electric conductor
paste
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EP13727369.4A
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German (de)
English (en)
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EP2842136A1 (fr
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Gilles Gable
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Fives Celes
Original Assignee
Fives Celes
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/30—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for reducing conductor losses when carrying alternating current, e.g. due to skin effect
    • H01B7/303—Conductors comprising interwire insulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/42—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for heat dissipation or conduction
    • H01B7/421—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for heat dissipation or conduction for heat dissipation
    • H01B7/423—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for heat dissipation or conduction for heat dissipation using a cooling fluid
    • H01B7/425—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for heat dissipation or conduction for heat dissipation using a cooling fluid the construction being bendable

Definitions

  • the present invention relates to an electrical conductor comprising a plurality of strands extending between two ends, each of the strands having at its surface an electrical insulating layer, the strands being electrically connected in parallel to each end of the electrical conductor.
  • This type of conductor is usually called Litz wire.
  • the present invention relates more particularly to drivers whose frequency of use is between 1kHz and 500kHz.
  • each strand has a diameter smaller than the skin thickness of the material used at the frequency of use, makes it possible to reduce the ohmic losses.
  • the document EP 2,081,196 discloses an electrical conductor comprising a tube around which are arranged strands, the tube being traversed by a cooling fluid.
  • the invention aims, above all, to propose a driver allowing the use of high frequencies while minimizing its heating. Facilitating the evacuation of losses will allow the driver to use a higher current, or constant current, not to heat the nearby parts.
  • an electrical conductor comprising a plurality of strands extending between two ends, each of the strands having at its surface an electrical insulating layer, the strands being electrically connected in parallel with each end of the electrical conductor, is characterized in that the strands are arranged around at least one tube, made of electrical insulating material, forming a core, the tube being traversed by a cooling fluid, and in that the outer surface of the tube and the strands are impregnated with a electrical insulating paste and having a coefficient of thermal conduction greater than 0.2 W / mK to ensure a good heat transfer between the strands and the tube.
  • Each strand can make at least one complete swirler around the tube between the two ends of the conductor.
  • the electrical insulating paste has a coefficient of thermal conduction greater than 0.5 W / mK.
  • the paste may have a Shore A hardness, according to ISO 868, of less than 75.
  • the driver may comprise an outer sheath.
  • the tube may have annular or spiral geometry.
  • the invention also relates to the use of an electrical conductor as defined above at a frequency of between 1 kHz and 500 kHz.
  • the conductor core C is constituted by a tube 1 traversed by a cooling fluid.
  • the fluid or gas may be water, oil or any other heat transfer fluid.
  • the tube 1 is made of electrical insulating polymer so as to avoid, at high frequencies, the induction of eddy currents in the tube 1.
  • the tube 1 In order to provide the necessary flexibility to the conductor C, the tube 1 has a spiral profile.
  • Strands 2 are arranged longitudinally around the tube 1.
  • the strands 2 are grouped to form strands and each strand 2 is covered with a layer of electrical insulator 6. In theory it is not necessary to add additional insulation between the strands because the strands are already isolated.
  • Each strand 2 comprises a multitude of insulated wires.
  • the strands are isolated in order to improve the mechanical strength of the strand and its handling and to avoid the injuries of the insulating varnish of the strands which rub against each other in contact with two strands.
  • the strand strands are distributed all around the tube 1 on its outer part, in single helix in one layer.
  • the strands 2 are electrically connected in parallel outside the conductor.
  • Each strand 2 has at least one complete swirler between the connecting terminals of the two ends of the conductor. This ensures a transposition that promotes the balancing of currents in the strands at high frequencies.
  • the length of a conductor depends on its application.
  • the outer surface of the tube 1 and the strands 2 are impregnated with a product called thermal paste 4 to ensure good heat transfer between the strands 2 and the tube 1 in order to facilitate the heat transfer of the strands 2 to the cooling fluid flowing in the tube 1.
  • the thermal paste 4 is a flexible product which fills the concavities of the pipe, the interstices between the strands 2 and the tube 1.
  • the thermal paste is produced from an elastomer of low Shore A hardness and preferably of lower Shore A hardness. to 75, so as to marry the best shape of the strands 2 and the tube 1 while accepting the deformation that may undergo the conductor C.
  • the thermal paste is also an electrical insulator which promotes the electrical insulation of the different strands 2.
  • the thermal paste has a coefficient of thermal conductivity which is greater than 0.2 W / mK and preferably greater than 0.5W / mK. It is possible to work with lower coefficients but at the expense of performance.
  • the presence of the thermal paste 4 avoids the presence of air while allowing the conductor C to maintain flexibility and a small radius of curvature.
  • the radius of curvature of the conductor C thus obtained may be less than five times the diameter of the conductor C.
  • the conductor C is sheathed by a finishing sheath 5.
  • the conductor C can be simply wrapped or enter the composition of a more complex conductor.
  • the conductor can be arranged in many ways around the tube, for example single or multiple helix or cross-arranged in one or more layers or finally braided.
  • Ribbed tube is a tube whose appearance looks like rings placed end to end.
  • the ridges of the rings and the recesses are respectively looped back on themselves as illustrated Fig. 5 and Fig.6 .
  • the ridge protrudes outside and hollow inside the tube ( Fig.8 and Fig.9 ).
  • a hollow seen from the outside has a prominent ridge inside.
  • a tube having ridges and hollows in the form of rings on the outside may also be smooth inside as illustrated. Fig. 11 and Fig.12 . This means that the wall thickness is not constant.
  • a smooth tube on its outer wall and corrugated inside can also fulfill the function ( Fig. 15 ).
  • the profile of the ridges and troughs can cover all the intermediate forms between the sinusoid and the crenel ( Fig. 9, FIG. 17 and FIG. 18 )
  • Spiral tube means a tube alternating with peaks and valleys which describe revolutions around the axis of the pipe with a fairly tight pitch smaller than the diameter of the pipe as illustrated.
  • Fig. 4 and FIG. 13 The tube has only one ridge and only one helical groove both.
  • the profiles of the ridges and furrows in sections can take all the forms described for the corrugated tube as illustrated in particular Fig. 10, Fig.11, Fig.7, Fig.14 and Fig.16 .
  • a convoluted tube is understood to mean a tube whose ridges appear wound around a tube along the longitudinal axis. It has the same characteristics as the spiral tube described above.
  • corrugated tube refers to a tube provided with annular or spiral ridges in the axis of the tube in a manner similar to the convoluted tube.
  • the conductor according to the invention has many advantages.
  • the induction losses in the cooling circuit are very low.
  • the useful section of copper is optimized to take into account the skin effect.
  • the originality of the invention is also to allow the evacuation of calories produced in an isolated and insulating water circuit.
  • Facilitating the evacuation of losses makes it possible to use the conductor according to the invention at a higher current with respect to a conventional conductor, or at a constant current, not to heat the surrounding parts.
  • the convolutions of the tube allow to maximize the heat exchange surface with the cooling fluid while allowing excellent flexibility and a very small radius of curvature without loss of cooling.
  • Isolation is galvanic between the coolant and the conductors. There are no circulation currents or leaks in the cooling fluids.

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  • Insulated Conductors (AREA)

Description

  • La présente invention est relative à un conducteur électrique comportant une pluralité de brins s'étendant entre deux extrémités, chacun des brins présentant à sa surface une couche d'isolant électrique, les brins étant reliés électriquement en parallèle à chaque extrémité du conducteur électrique. Ce type de conducteurs est généralement appelé fil de Litz.
  • La présente invention concerne plus particulièrement les conducteurs dont la fréquence d'utilisation est comprise entre 1kHz et 500kHz.
  • A fréquence élevée le courant a tendance à ne circuler qu'à la surface du conducteur à cause d'un phénomène appelé effet de peau. La pellicule de conducteur où circule le courant est alors appelée épaisseur de peau. Ce phénomène entraine une circulation du courant circonscrite à la périphérie du conducteur d'où une section utile réduite, ce qui entraîne une résistance électrique plus élevée et augmente les pertes.
  • L'utilisation de fils de litz où chaque brin présente un diamètre inférieur à l'épaisseur de peau du matériau utilisé à la fréquence d'utilisation, permet de réduire les pertes ohmiques.
  • Le document EP 2 081 196 décrit un conducteur électrique comprenant un tube autour duquel sont disposés des brins, le tube étant parcouru par un fluide de refroidissement.
  • Malheureusement, l'isolation électrique des différents brins ne permet pas toujours d'éviter une élévation de température importante du conducteur, notamment dans le cas d'un courant haute fréquence.
  • L'invention a pour but, surtout, de proproser un conducteur autorisant l'utilisation de hautes fréquences tout en minimisant son échauffement. Faciliter l'évacuation des pertes permettra d'utiliser le conducteur à un courant plus élevé, ou à courant constant, de ne pas échauffer les pièces au voisinage.
  • Selon l'invention un conducteur électrique comportant une pluralité de brins s'étendant entre deux extrémités, chacun des brins présentant à sa surface une couche d'isolant électrique, les brins étant reliés électriquement en parallèle à chaque extrémité du conducteur électrique, est caractérisé en ce que les brins sont disposés autour d'au moins un tube, réalisé en matériau isolant électrique, formant âme, le tube étant parcouru par un fluide de refroidissement, et en ce que la surface extérieure du tube et les brins sont imprégnés d'une pâte isolant électrique et présentant un coefficient de conduction thermique supérieur à 0.2 W/mK pour assurer un bon transfert thermique entre les brins et le tube.
  • Chaque brin peut réaliser au moins une vrille complète autour du tube entre les deux extrémités du conducteur.
  • Avantageusement la pâte isolant électrique présente un coefficient de conduction thermique supérieur à 0.5 W/mK.
  • La pâte peut présenter une dureté shore A, selon la norme ISO 868, inférieure à 75.
  • Le conducteur peut comprendre une gaine extérieure.
  • Le tube peut présenter une géométrie annelée ou spiralée.
  • L'invention concerne également l'utilisation d'un conducteur électrique tel que défini précédemment à une fréquence comprise entre 1kHz et 500kHz.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré avec référence aux dessins annexés mais qui n'a aucun caractère limitatif. Sur ces dessins :
    • Fig. 1 est une vue en perspective de l'extrémité d'un conducteur selon l'invention,
    • Fig. 2 est une vue en coupe transversale du conducteur de Fig. 1,
    • Fig. 3 est une vue en coupe longitudinale du conducteur de Fig. 1,
    • Fig. 4 à 6 sont des vues en élévation latérale de trois modes de réalisation d'un tube selon l'invention,
    • Fig. 7 à 9 sont des vues en coupe longitudinale des modes de réalisation des Fig. 4 à 6,
    • Fig. 10 à 12 sont des vues en coupe longitudinale de trois autres modes de réalisation d'un tube selon l'invention,
    • Fig. 13 est une vue en élévation latérale d'un autre mode de réalisation d'un tube selon l'invention,
    • Fig. 14 est une vue en coupe longitudinale du mode de réalisation de Fig. 13, et
    • Fig. 15 à 18 sont des vues en coupe longitudinale de quatre autres modes de réalisation d'un tube selon l'invention.
  • En se référant à Fig. 1 à 3, on peut voir un conducteur C selon l'invention. L'âme du conducteur C est constituée par un tube 1 parcouru par un fluide de refroidissement. Le fluide ou gaz peut être de l'eau, de l'huile ou tout autre fluide caloporteur.
  • Le tube 1 est réalisé en polymère isolant électrique de manière à éviter, aux fréquences élevées, l'induction de courants de Foucault dans le tube 1. Afin d'apporter la souplesse nécessaire au conducteur C, le tube 1 présente un profil spiralé.
  • Des brins 2 sont disposés longitudinalement autour du tube 1. Les brins 2 sont regroupés pour former des torons et chaque brin 2 est recouvert d'une couche d'isolant électrique 6. En théorie il n'est pas nécessaire de rajouter une isolation supplémentaire entre les torons car les brins sont déjà isolés. Chaque brin 2 comporte une multitude de fils isolés.
  • En pratique on isole les torons pour améliorer la tenue mécanique du toron et sa manipulation et pour éviter les blessures du vernis isolant des brins qui frottent l'un contre l'autre au contact de deux torons.
  • Les torons de brins sont répartis tout autour du tube 1 sur sa partie extérieure, en hélice simple en une couche.
  • Des modes de réalisation alternatifs sont possibles en utilisant notamment des brins 2 tressés sur le tube 1 et/ou plusieurs couches de brins.
  • Par ailleurs, il n'est indispensable de regrouper les brins 2 pour former des torons. Une alternative possible est de répartir directement les brins autour du tube 1.
  • Les brins 2 sont reliés électriquement en parallèles en dehors du conducteur. Chaque brin 2 présente au moins une vrille complète entre les bornes de raccordement des deux extrémités du conducteur. Ceci permet d'assurer une transposition qui favorise l'équilibrage des courants dans les brins aux fréquences élevées.
  • La longueur d'un conducteur dépend de son application.
  • La surface extérieure du tube 1 et les brins 2 sont imprégnés d'un produit appelé pâte thermique 4 pour assurer un bon transfert thermique entre les brins 2 et le tube 1 dans le but de faciliter le transfert thermique des brins 2 vers le fluide de refroidissement circulant dans le tube 1.
  • La pâte thermique 4 est un produit souple qui rempli les concavités du tuyau, les interstices entre les brins 2 et le tube 1. La pâte thermique est produite à partir d'un élastomère de faible dureté shore A et de préférence de dureté shore A inférieure à 75, de façon à épouser au mieux la forme des brins 2 et du tube 1 tout en acceptant les déformations que peut subir le conducteur C. La pâte thermique est également un isolant électrique ce qui favorise l'isolation électrique des différents brins 2.
  • La pâte thermique a un coefficient de conductibilité thermique qui est supérieur à 0.2 W/mK et de préférence supérieur à 0,5W/mK. Il est possible de travailler avec des coefficients plus faibles mais au détriment des performances.
  • La présence de la pâte thermique 4 évite la présence d'air tout en permettant au conducteur C de conserver de la souplesse et un rayon de courbure faible. Le rayon de courbure du conducteur C ainsi obtenu peut être inférieur à cinq fois le diamètre du conducteur C.
  • Dans le mode de réalisation illustré Fig. 1 à 3, le conducteur C est gainé par une gaine de finition 5. De façon alternative le conducteur C peut être simplement enrubanné ou entrer dans la composition d'un conducteur plus complexe.
  • Dés modes de réalisations alternatifs sont possibles en utilisant des tubes présentant des profils annelés, convolutés, striés ou corrugués.
  • Le conducteur peut être disposé de nombreuses manières autour du tube, par exemple en hélice simple ou multiple ou disposé croisé en une ou plusieurs couches ou enfin tressé.
  • On entend par tube annelé un tube dont l'aspect ressemble à des anneaux mis bout à bout. Les crêtes des anneaux ainsi que les creux sont rebouclés respectivement sur eux-mêmes comme illustré Fig. 5 et Fig.6. En règle générale si l'épaisseur de paroi est petite au regard du pas ou de la hauteur des anneaux alors la crête est saillante à l'extérieur et creuse à l'intérieur du tube (Fig.8 et Fig.9). Un creux vu de l'extérieur présente une crête saillante à l'intérieur.
  • En variante, un tube présentant des crêtes et des creux en forme d'anneaux à l'extérieur peut aussi être lisse à l'intérieur comme illustré Fig. 11 et Fig.12. Cela signifie que l'épaisseur de paroi n'est pas constante.
  • Un tube lisse sur sa paroi extérieure et ondulé à l'intérieur peut aussi remplir la fonction (Fig. 15).
  • Le profil des crêtes et des creux peuvent couvrir toutes les formes intermédiaires entre la sinusoïde et le créneau (Fig. 9, Fig. 17 et Fig. 18)
  • On entend par tube spiralé un tube présentant en alternance des crêtes et des creux qui décrivent des révolutions autour de l'axe du tuyau avec un pas assez serré inférieur au diamètre du tuyau comme illustré Fig. 4 et Fig. 13. Le tube ne présente qu'une seule crête et qu'un seul sillon hélicoïdaux tous deux.
  • Les profils des crêtes et des sillons en coupes peuvent prendre toutes les formes décrites pour le tube annelé comme illustré notamment Fig. 10, Fig.11, Fig.7, Fig.14 et Fig.16.
  • Tout comme le tube annelé il peut être lisse à l'intérieur et ne présenter des crêtes et des creux à l'extérieur et réciproquement (Fig. 14 et Fig. 15).
  • On entend par tube convoluté un tube dont les crêtes paraissent enroulées autour d'un tube en suivant l'axe longitudinal. Il présente les mêmes caractéristiques que le tube spiralé décrit ci-dessus.
  • Le terme tube corrugué est parfois utilisé et désigne un tube pourvu de stries annulaires ou spiralées dans l'axe du tube de façon similaire au tube convoluté.
  • Le conducteur selon l'invention présente de nombreux avantages.
  • En particulier les pertes par induction dans le circuit de refroidissement sont très faibles. La section utile de cuivre est optimisée pour tenir compte de l'effet de peau.
  • L'originalité de l'invention, c'est aussi de permettre l'évacuation des calories produites dans un circuit d'eau isolé et isolant. Faciliter l'évacuation des pertes permet d'utiliser le conducteur selon l'invention à un courant plus élevé par rapport à un conducteur classique, ou à courant constant, de ne pas échauffer les pièces au voisinage.
  • Lés convolutions du tube permettent de maximiser la surface d'échange thermique avec le fluide de refroidissement tout autorisant une excellente souplesse et un rayon de courbure très faible sans perte de refroidissement.
  • Il en résulte des densités de courant importantes à des fréquences élevées.
  • L'isolement est galvanique entre le fluide de refroidissement et les conducteurs. Il n'y a donc pas de courants de circulation ou de fuites dans les fluides de refroidissements.
  • Ces avantages permettent l'utilisation d'un conducteur selon l'invention dans de nombreux domaines et en particulier la réalisation de composants magnétiques (inductances, transformateurs, inducteurs de chauffage par induction) ou de lignes de liaison haute fréquence très peu dissipatives ou à forte densité de courant.

Claims (8)

  1. Conducteur électrique (C) comportant une pluralité de brins (2) s'étendant entre deux extrémités, chacun des brins (2) présentant à sa surface une couche d'isolant électrique (6), les brins (2) étant reliés électriquement en parallèle à chaque extrémité du conducteur électrique (C), les brins (2) étant disposés autour d'au moins un tube (1), formant âme, le tube (1) étant parcouru par un fluide de refroidissement, caractérisé en ce que le tube (1) est réalisé en matériau isolant électrique et en ce que la surface extérieure du tube (1) et les brins (2) sont imprégnés d'une pâte (4) isolant électrique et présentant un coefficient de conduction thermique supérieur à 0.2 W/mK pour assurer un bon transfert thermique entre les brins (2) et le tube (1).
  2. Conducteur électrique (C) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque brin (2) réalise au moins une vrille complète autour du tube (1) entre les deux extrémités du conducteur (C).
  3. Conducteur électrique (C) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pâte (4) isolant électrique présente un coefficient de conduction thermique supérieur à 0.5 W/mK.
  4. Conducteur électrique (C) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pâte (4) présente une dureté shore A, selon la norme ISO 868, inférieure à 75.
  5. Conducteur électrique (C) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une gaine extérieure (5).
  6. Conducteur électrique (C) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (1) présente une géométrie annelée.
  7. Conducteur électrique (C) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube (1) présente une géométrie spiralée.
  8. Utilisation d'un conducteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes à une fréquence comprise entre 1 kHz et 500kHz.
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