EP2847774A1 - Transformateur tournant triphase cuirasse magnetiquement a trois noyaux magnetiques - Google Patents

Transformateur tournant triphase cuirasse magnetiquement a trois noyaux magnetiques

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EP2847774A1
EP2847774A1 EP13725417.3A EP13725417A EP2847774A1 EP 2847774 A1 EP2847774 A1 EP 2847774A1 EP 13725417 A EP13725417 A EP 13725417A EP 2847774 A1 EP2847774 A1 EP 2847774A1
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EP
European Patent Office
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transformer
coils
axis
leg
notch
Prior art date
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EP13725417.3A
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EP2847774B1 (fr
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Cédric DUVAL
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Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Hispano Suiza SA
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Publication date
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Publication of EP2847774B1 publication Critical patent/EP2847774B1/fr
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
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    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
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    • H01F30/12—Two-phase, three-phase or polyphase transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers

Definitions

  • the present invention relates to the general field of transformers.
  • the invention relates to a rotating three-phase transformer.
  • a rotating three-phase transformer can transfer energy and / or signals between two axes rotating relative to each other without contact.
  • Figures 1 and 2 each show a three-phase transformer 1 rotating according to the prior art.
  • Transformer 1 comprises three rotary single-phase transformers 2 corresponding to phases U, V and W.
  • Each rotating single-phase transformer 2 comprises a part 3 and a part 4 rotating about an axis A with respect to each other.
  • Part 3 is for example a stator and part 4 a rotor, or vice versa.
  • the part 3 and the part 4 are both rotatable relative to a fixed reference not shown.
  • An O-coil 5 is housed in a notch 6 delimited by a ferromagnetic material body of part 3.
  • a toroidal coil 7 is housed in a notch 8 delimited by a ferromagnetic material body of part 4.
  • the coils 5 and 7 form the primary and secondary coils (or vice versa).
  • FIG. 1 represents a variant called “U” in which part 3 surrounds part 4 with respect to axis A
  • FIG. 2 represents a variant called “E” or “in pot” in which part 3 and part 4 are next to each other in the axial direction.
  • the three-phase transformer 1 of Figure 1 or 2 has a large mass and volume since it is not possible to best use the magnetic flux of each phase, unlike a three-phase transformer forced static flow in which it is possible to couple the flows.
  • Document US 2011/0050377 discloses a three-phase transformer rotating four columns. This transformer has a large mass and volume. This document also describes a three-phase transformer rotating five columns. This transformer has a large mass and volume. In addition, it uses a radial winding passing in notches in the central columns of the magnetic circuit, which is more complex than the toroidal winding used in the transformers of Figures 1 and 2.
  • the invention proposes a three-phase transformer comprising a primary part and a secondary part,
  • the primary part comprising a first body made of ferromagnetic material and primary coils
  • the secondary part comprising a second body made of ferromagnetic material and secondary coils
  • the first body delimiting a first annular notch of axis A and a second annular notch of axis A, the first notch being delimited by a first lateral leg, a central leg and a crown, the second notch being delimited by the central leg, a second lateral leg and the crown,
  • the primary coils comprising a first O-axis coil in the first slot, a second O-axis coil in the second slot, and one or more third coils connected in series, said third coils being wound around one of said coils. legs passing in notches in said leg.
  • the primary transformer uses some of the simple A-axis toroidal coils, which allows a particularly simple structure.
  • said third coils are wound around said central leg.
  • the primary portion and the secondary portion are rotatable about the axis A, relative to each other.
  • the invention provides a rotating three-phase transformer which has, thanks to the coupling of fluxes, a reduced mass and volume, in particular with respect to the use of three single-phase rotating transformers.
  • the second body delimits a first annular secondary annular axis A and a second annular secondary annular axis A, the first secondary notch being delimited by a first secondary lateral leg, a secondary central leg and a crown secondary, the second secondary notch being delimited by the secondary central leg, a second secondary lateral leg and the secondary crown,
  • the secondary coils comprising a first O-axis second secondary coil in the first secondary notch, a second A-axis second secondary coil in the second secondary notch, and one or more third secondary coils connected in series, said third coils being wound around one of said secondary legs through notches in said secondary leg.
  • the secondary is made according to the same principle as the primary.
  • the secondary thus also contributes to limiting the mass and the volume of the transformer, and allows the realization of the transformer using only toric coils of axis A.
  • the secondary is produced according to a different principle than the primary one. For example, it uses, for each phase, one or more coils surrounding the corresponding leg.
  • the first lateral leg and the first secondary lateral leg are in the extension of one another and separated by an air gap
  • the first central leg and the first central secondary leg are in the extension one. of the other and separated by an air gap
  • the second lateral leg and the second secondary lateral leg are in the extension of one another and separated by a gap.
  • the primary portion may surround the abutment relative to axis A or vice versa. This corresponds to a realization of a transformer called "in U”.
  • the primary part and the secondary part can be located next to each other in the direction of the axis A. This corresponds to an embodiment of a transformer called "in E” or "in Pot”.
  • the primary portion and the secondary portion are fixed relative to one another.
  • a fixed transformer according to the invention has the same advantages as a rotary transformer according to the invention.
  • the first body and the second body of ferromagnetic material completely surround the primary coils and the secondary coils.
  • the transformer is magnetically battleship.
  • FIGS. 1 and 2 are each a sectional view of a three-phase transformer rotating according to the prior art
  • FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views of a three-phase magnetically charged, forced-flux, rotating transformer according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the magnetic circuit of the transformer of FIGS. 3 and 4,
  • FIG. 6 is an electrical diagram showing an example of connection of the transformer coils of FIGS. 3 and 4,
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the magnetic circuit of a three-phase magnetically charged, forced-flux, three-phase rotating transformer according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 8 is a sectional view of a magnetically battledressed three-phase fixed transformer with forced bonded flux, according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 9 is a sectional view of a fixed-phase, forced-flow, fixed transformer, according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a sectional view of a three-phase rotating transformer with forced bonded flows, according to a first embodiment useful for understanding the invention
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of the magnetic circuit of the transformer of FIG. 10,
  • FIG. 12 is an electrical diagram illustrating the operation of the transformer of FIG. 10,
  • FIG. 13 is an exploded perspective view of the magnetic circuit of a transformer according to a second embodiment used in the understanding of the invention, which can be considered as a variant of the transformer of FIG. 10, and
  • FIG. 14 is a sectional view of a rotating transformer, forced bonded flow, according to a fifth embodiment of the invention.
  • FIGS 3 and 4 are sectional views of a transformer 10 according to a first embodiment of the invention.
  • the transformer 10 is a three-phase rotating transformer magnetically battled, forced flow forced.
  • the transformer 10 comprises a portion 11 and a portion 12 adapted to rotate about an axis A with respect to each other.
  • Part 11 is for example a stator and part 12 a rotor, or vice versa.
  • the portion 11 and the portion 12 are both rotatable relative to a fixed reference not shown.
  • Part 12 comprises a ring 13 of axis A and three legs 14, 15 and 16 of ferromagnetic material.
  • Each of the legs 14, 15 and 16 extends radially away from the axis A, from the crown 13.
  • the leg 14 is at one end of the crown 3, the leg 16 is at another end of the crown 13, and the leg 15 is between the legs 14 and 16.
  • the ring 13 and the legs 14 and 15 define an annular notch 34 open radially outwardly.
  • the ring 13 and the legs 15 and 16 delimit an annular notch 35 open radially outwards.
  • the ring 13 and the legs 14, 15 and 16 form a body of ferromagnetic material delimiting two notches 34 and 35 annular open radially outwardly.
  • Part 11 comprises a ring 17 of axis A and three legs 18, 19 and 20 of ferromagnetic material.
  • the ring 17 surrounds the ring 13.
  • Each of the legs 18, 19 and 20 extend radially towards the axis A, from the ring 17.
  • the leg 18 is at one end of the ring 17, the leg 20 is located at another end of the ring 17, and the leg 19 is between the legs 18 and 20.
  • the ring 17 and the legs 18 and 19 define a notch 22 annular opening radially inwardly.
  • the ring 17 and the legs 19 and 20 delimit an annular notch 23 open radially inwards.
  • the ring 17 and the legs 18, 19 and 20 form a body of ferromagnetic material delimiting two notches 22 and 23 annular open radially inwards.
  • the legs 14 and 18, respectively 15 and 19 and 16 and 20 face each other by delimiting an air gap 21, and thus form columns of the transformer 10.
  • the rings 13 and 17 and the legs 14 to 16 and 18 to 20 form a magnetic circuit of the transformer 10.
  • the transformer 10 is a transformer with three columns. More specifically, the magnetic circuit of the transformer 10 comprises a first a first column (corresponding to the legs 14 and 18), a second column (corresponding to the legs 15 and 19) and a third column (corresponding to the legs 16 and 20).
  • the transformer 10 comprises coils 24, 25a, 25b, 25c,
  • the coil 24 is an O-axis coil corresponding to a phase Up of the transformer 10. It is in the notch 22 and has no turns.
  • the coils 25a, 25b, 25c and 25d are connected in series and correspond to a phase Vp of the transformer 10.
  • Each of the coils 25a, 25b, 25c and 25d surrounds a portion of the leg 19 by passing through notches 36 formed in the leg 19, as shown in FIG. 4. Together, the coils 25a, 25b, 25c and 25d have no turns
  • the coil 26 is an O-axis coil corresponding to a phase Wp of the transformer 10. It is in the notch 23 and has no turns.
  • the winding of the phases Up and Wp is annular about the axis A, while the winding of the phase Vp is radially around the central column (corresponding to the legs 15 and 19).
  • O-axis coil coil is meant a coil whose turns are wound around the axis A.
  • the term "ring” is not used in the limiting sense referring to a solid generated by the rotation of a circle around an axis.
  • the section of a toroidal coil can be rectangular, in particular.
  • the coil 28 is an O-axis coil corresponding to a phase Us of the transformer 10. It is in the notch 34 and has n 2 turns.
  • the coils 29a, 29b, 29c and 29d are connected in series and correspond to a phase Vs of the transformer 10.
  • Each of the coils 29a, 29b, 29c and 29d surrounds part of the leg 15 by passing through notches 37 formed in the leg 15, as shown in FIG. 4. Together, the coils 29a, 29b, 29c and 29d have two turns
  • the coil 30 is an O-axis coil corresponding to a phase Ws of the transformer 10. It is in the notch 35 and has n 2 turns.
  • the winding of the phases Us and Ws is annular, around the axis A, whereas the winding of the phase Vs is radially around the central column (corresponding to legs 15 and 19).
  • the coils 24 and 28 surround a magnetic core 32 located in the ring 13.
  • magnetic core is meant a part of the magnetic circuit in which the flow of the same direction created by a coil is the largest.
  • the currents flowing in the coils 24 and 28 therefore correspond to magnetic potentials in the magnetic core 32.
  • the coils 26 and 30 surround a magnetic core 33 located in the ring 13. Circulating currents in the coils 26 and 30 corresponding to magnetic potentials in the magnetic core 33.
  • the coils 25a, 25b, 25c, 25d, 29a, 29b, 29c and 29d surround a magnetic core 38 located in the central column formed by the legs 15 and 19.
  • the transformer 410 thus has three magnetic cores: the axial cores 32 and 33, and a radial core 38 along the central column.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the magnetic circuit of the transformer 10.
  • FIG. 6 shows:
  • connection points allowing all the electrical couplings identical to any fixed three-phase transformer
  • the black dots indicate the relationship between the current flowing in a coil and the direction of the corresponding magnetic potential.
  • the coil 24 corresponds, for the current I ap , to a magnetic potential Pa axial directed to the right in the magnetic core 32.
  • the coils 25a, 25b, 25c and 25d correspond, for the current Ib P. at a radial magnetic potential Pb directed downwards in the magnetic core 38.
  • the coil 26 corresponds, for the current I cp , to an axial magnetic potential Pc directed to the left in the magnetic core 33.
  • the magnetic potentials Pa , Pb and Pc are equal in modules, of opposite directions on each magnetic core and symmetrical with respect to the point of symmetry 39 located at the intersection of the three cores.
  • the winding direction of the coils and / or their connection points are different so that the magnetic potentials Pa, Pb and Pc are in opposite directions with respect to the example shown.
  • This configuration allows a correct coupling of flows. More precisely, the topology of the transformer 10 makes it possible to obtain a coupling coefficient of 3/2.
  • the transformer 10 comprises four primary coils 25a to 25d in series and four secondary coils 29a to 29d in series.
  • the number of coils on the central column may be higher or lower.
  • the number of coils on the central column may differ between the primary and the secondary.
  • the notches 36 and 37 are formed in the central column (legs 15 and 19).
  • the coils 25a-25d and 29a-29d thus surround the central column and the magnetic core 38 is located in the central column.
  • the notches 36 and 37 are formed in one of the side columns (legs 14 and 18 or 16 and 20).
  • the coils 25a to 25d and 29a to 29d thus surround one of the side columns and the magnetic core 38 is located in this side column.
  • Such a variant is, however, not magnetically armored.
  • the transformer 10 has several advantages. In particular, it can be seen that the magnetic circuit completely surrounds the coils 24 to 30. The transformer 10 is therefore battleship magnetically. In addition, some of the coils 24 to 30 are O-axis toroidal coils. The transformer 10 thus makes it possible to use coils of simple shape.
  • the phases of the transformer 10 can be balanced in inductance and resistance.
  • the air gap creates significant column reluctances relative to the reluctances of the rings 13 and 17, the reluctances of the crowns can be neglected and it is possible to obtain partial balancing for columns of the same reluctances.
  • the design of the magnetic circuit can therefore be particularly simple.
  • An improvement of possible realization allowing a better balance is to increase slightly the reluctance of the central column so as to compensate for the imbalance of the reluctances due to the secondary reluctances (reluctance of the crown, reluctance of the fringes, ). To do this, it is possible to slightly decrease the width of the central column or slightly increase the gap thereof with respect to other columns.
  • the transformer 10 has a mass and a reduced volume.
  • Q be the quantity of conductive material of a coil of one of the three single-phase transformers of the transformer 1.
  • the quantity of conductive material at the level of the windings of the transformer 1 is therefore 30.
  • each single-phase transformer of the transformer 1 has an overall reluctance of the magnetic circuit close to 2 Re. In the case of the transformer 10, there is an overall reluctance of the magnetic circuit close to 3/2 Re.
  • the quantity of conductive material is Q / V2. If one is at iso-losses joules the resistance (pl / S) is also divided by V2 (length divided by V2) so to preserve the losses joules one can divide the section by V2 for a same current of load, magnetizing and tension ( in fact we may not have a gain as important since it is necessary to avoid local heating, all depends on the thermal conduction). The quantity of conductive material for the coil 24 is therefore Q / 2. The same reasoning applies to the coil 26.
  • Q the same amount of material driver.
  • the amount of conductive material is 3Q / 2.
  • K H A constant related to magnetic materials and the structure of the magnetic circuit
  • K F A constant related to magnetic materials and the structure of the magnetic circuit
  • FIG. 7 shows the magnetic circuit of a transformer (not shown) according to a second embodiment.
  • This transformer can be considered as an "E" or "Pot" variant of the "U" -shaped transformer of FIG. 3.
  • the same references are thus used in FIG. 7 as in FIG. 3, without any risk of confusion. and a detailed description of the transformer according to the second embodiment is omitted.
  • references 13 and 17 correspond to two axially spaced rings, that the legs 14 to 16 and 18 to 20 extend axially between the two rings 13 and 17, and that the magnetic cores are here located in the columns.
  • FIG. 8 represents a transformer 110 according to a third embodiment of the invention.
  • the transformer 110 may be considered as a fixed transformer corresponding to the rotating transformer of FIG. 3.
  • the same references as in FIG. 3, plus 100, are used to designate elements that are identical or similar to those of Figure 3.
  • the transformer 110 comprises a ring 113 of axis A, three legs 114, 115 and 116 and a ring 117 of axis A of ferromagnetic material.
  • Each of the legs 114, 115 and 116 extends radially away from the axis A, from the crown 113.
  • the leg 114 is at one end of the crown 113
  • the leg 116 is at another end of the crown 113
  • the leg 115 is between the legs 114 and 116.
  • the ring 117 surrounds the crown 113 and the legs 114 to 116, delimiting an air gap 121.
  • the rings 113 and 117 and the legs 114 to 116 form a magnetic circuit of the three-column transformer 110. More specifically, the magnetic circuit of the transformer 110 comprises a first column (corresponding to the leg 114), a second column (corresponding to the leg 115) and a third column (corresponding to the leg 116).
  • the magnetic circuit of the transformer 110 delimits a notch 122 between the two rings, the first column and the second column, and a notch 123 between the two rings, the second column and the third column.
  • the transformer 110 comprises coils 124, 125a, 125d (as well as two unrepresented coils), 126, 128, 129a, 129c (as well as two coils not shown) and 130 corresponding to the coils 24 to 30 of the transformer 10.
  • the transformer 110 is a three-phase stationary transformer battleably magnetically, forced bonded flow, and magnetic circuit three columns. It has a similar operation and advantages to the transformer 10 of FIG.
  • FIG. 9 represents a transformer 210 according to a fourth embodiment of the invention.
  • the transformer 210 can be considered as a magnetically non-batted variant of the magnetically batted transformer 110 of FIG. 8.
  • the same references are therefore used in FIG. 9 as in FIG. 8, without any risk of confusion, and a detailed description of the transformer 210. is omitted. It is simply noted that the magnetic circuit of the transformer 210 does not completely surround the coils 124, 128, 126 and 130 and that the transformer 210 is therefore not magnetically battled, unlike the transformer 110.
  • FIG. 10 is a sectional view of a transformer 310 according to a first embodiment useful for understanding the invention.
  • the transformer 310 is a three-phase rotating transformer with forced bonded flux and can be considered as a variant of the transformer 10 of FIG. 3.
  • FIG. 10 (and FIGS. 11 to 13), the elements that are identical or similar to FIG. elements of the transformer 10 of Figure 3 are designated by the same references, without risk of confusion.
  • the specific features of the transformer 310 are described in detail.
  • the transformer 310 comprises four coils, of which a coil 324a and a coil 324d are shown in FIG. 10, connected in series and which pass into notches 36 formed in the leg 18 (the notches 36). are visible in Figure 11).
  • the transformer 310 comprises four coils, of which a coil 328a and a coil 328d are shown in FIG. 10, connected in series and which pass into notches 37 in the leg 15. .
  • the transformer 310 comprises four coils, a coil 326a and a coil 326d are shown in Figure 10, connected in series and which pass into notches 36 formed in the leg 20.
  • the transformer 310 comprises four coils, including a coil 330a and a coil 330c are shown on 10, connected in series and which pass into notches 37 formed in the leg 16.
  • the transformer 310 thus has three radial magnetic cores: A core 38 in the central column formed by the legs 15 and 19, a core 39 in the column formed by the legs 14 and 18, and a core 40 in the column formed by the legs 16 and 20.
  • FIG. 12 on which the same notations as in FIG. 6 are used, illustrates the operation of the transformer 310.
  • the coils 324a, 324d and the unrepresented coils which are connected to them correspond, for a current I ap , to a magnetic potential Pa radial directed towards the axis A in the magnetic core 39.
  • the coils 25a, 25b, 25c and 25d correspond, for a current I bp , to a radial magnetic potential Pb directed to the axis A in the magnetic core 38.
  • the coils 326a, 326d and the unrepresented coils connected to them correspond, for a current I cp , at a radial magnetic potential Pc directed towards the axis A in the magnetic core 40.
  • the magnetic potentials Pa, Pb and Pc are equal in modules and all directed towards the axis A.
  • the magnetic potentials Pa, Pb and Pc are of opposite directions with respect to the example represented, it is that is, they are all directed away from the A axis.
  • the topology of the transformer 310 makes it possible to obtain the same coupling coefficient of 3/2 as in the case of the transformer 10 described above. To obtain the theoretical coupling coefficient and the three-phase equilibrium, it is sufficient that the reluctances between the midpoint of the ring 17 and the midpoint of the ring 13 passing through each column are identical.
  • the transformer 310 has the same advantages as the transformer 10, except the use of only toroidal coils.
  • the transformer 310 makes it possible in particular to obtain a coupling of the phases making it possible to recover the multiplying coefficient 3/2.
  • the transformer 310 comprises, for each phase, four primary coils in series (coils 25a to 25d in the case of the central phase) and four secondary coils in series (coils 29a to 29d in the case of the central phase).
  • the number of coils on each column may be higher or lower. The number of coils on each column may differ between primary and secondary.
  • the transformer 310 shown in Figures 10 to 12 is a transformer "U".
  • an "E” or “Pot” transformer has a similar topology.
  • the magnetic cores are axial.
  • FIG. 13 represents, in exploded perspective view, a magnetic circuit making it possible to produce such an "E" variant.
  • Elements corresponding to elements of Figure 11 are designated by the same references, without risk of confusion.
  • the coils make it possible to reproduce the three-phase flows in the three columns of the transformer in a manner equivalent to a fixed three-phase transformer with forced bonded fluxes.
  • the coils make it possible to reproduce the three-phase flows in the three transformer columns in a manner equivalent to a three-phase fixed transformer with forced flow.
  • the primary and secondary of these transformers are compatible.
  • the primary of the transformer 10 is compatible with any secondary whose topology makes it possible to reproduce three-phase flows in three columns in a manner equivalent to a three-phase fixed transformer with forced bonded flows.
  • the primary and secondary are made according to the same principle.
  • the primary or the secondary is produced according to a different principle, for example according to that of the transformer 310 of FIGS. 10 to 12.
  • FIG. 15 is a sectional view of a transformer 410 according to a fifth embodiment of the invention, which uses the primary of the transformer 10 and the secondary of the transformer 310.
  • FIG. 15 therefore, the same references as in FIG. 3 or in FIG. 10 are used, and a detailed description is omitted.
  • a transformer may comprise several secondary.
  • the windings of each secondary can be simultaneously made according to the principle of the transformer 10 and the principle of the transformer 310 on the same body if it has the necessary notches in the legs for the passage coils according to the transformer principle 310.

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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 TOURNANT TRIPHASE CUIRASSE MAGNETIQUEMENT A TROIS NOYAUX MAGNETIQUES
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. 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 dimensionnement réduit du transformateur en termes de volume et de masse. De plus, le primaire du transformateur utilise en partie des simples 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 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 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 magnétiquement, 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 couronnel3, la jambe 16 se trouve à une autre extrémité de la couronne 13, et la jambe 15 se trouve 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. 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 ni 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 ni 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 ni 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 n2 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 n2 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 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 Cp.
- Oap, ObP et 0Cp, 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, - 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 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.
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 isoperformances, 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 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 ni 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=l / 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 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 KHB2f*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 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 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 complètement 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 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.
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 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. 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. 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 (10, 110, 210, 410) 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 (24, 25a, 25b, 25c, 25d, 26 ; 124, 125a, 125d, 126), la partie secondaire (12) comprenant un deuxième corps en matériau ferromagnétique et des bobines secondaires (128, 129a, 129c, 130),
le premier corps délimitant une première encoche (22) annulaire d'axe A et une deuxième encoche (23) annulaire d'axe A, la première encoche (22) étant délimitée par une première jambe latérale (18 ; 114), une jambe centrale (19 ; 115) et une couronne (17 ; 113), la deuxième encoche (23) étant délimitée par la jambe centrale (19 ; 115), une deuxième jambe latérale (20 ; 116) et la couronne (17 ; 113),
les bobines primaires comprenant une première bobine (24, 124) torique d'axe A dans la première encoche (22), une deuxième bobine (26, 126) torique d'axe A dans la deuxième encoche (23), et une ou plusieurs troisièmes bobines (25a, 25b, 25c, 25d ; 125a, 125d) reliées en série, lesdites troisièmes bobines étant enroulées autour d'une desdites jambes en passant dans des encoches (36) dans ladite jambe.
2. Transformateur (10, 110, 210, 410) selon la revendication 1, dans lequel lesdites troisièmes bobines sont enroulées autour de ladite jambe centrale (19, 115).
3. Transformateur (10, 410) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la partie primaire (11 ; 12) et la partie secondaire (12 ; 11) sont mobiles en rotation autour de l'axe A, l'une par rapport à l'autre.
4. Transformateur (10) selon la revendication 3, dans lequel le deuxième corps délimite une première encoche secondaire (34) annulaire d'axe A et une deuxième encoche secondaire (35) annulaire d'axe A, la première encoche secondaire (34) étant délimitée par une première jambe latérale secondaire (14), une jambe centrale secondaire (15) et une couronne secondaire (13), la deuxième encoche secondaire (35) étant délimitée par la jambe centrale secondaire (15), une deuxième jambe latérale secondaire (16) et la couronne secondaire (13),
les bobines secondaires comprenant une première bobine secondaire (28) torique d'axe A dans la première encoche secondaire (34), une deuxième bobine secondaire (31) torique d'axe A dans la deuxième encoche secondaire (35), et une ou plusieurs troisièmes bobines secondaires (29a, 29b, 29c, 29d) reliées en série, lesdites troisièmes bobines secondaires étant enroulées autour d'une desdites jambes secondaires en passant dans des encoches (37) dans ladite jambe secondaire.
5. Transformateur (10) selon la revendication 4, dans lequel la première jambe latérale (18) et la première jambe latérale secondaire (14) sont dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un entrefer (21), la première jambe centrale (19) et la première jambe centrale secondaire (15) sont dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un entrefer (21), et la deuxième jambe latérale (20) et la deuxième jambe latérale secondaire (16) sont dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un entrefer (21). 6. Transformateur (410) selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel la partie primaire (11 ; 12) entoure la partie secondaire (12 ; 11) par rapport à l'axe A ou inversement.
7. Transformateur selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel la partie primaire (11 ; 12) et la partie secondaire (12 ; 11) sont situées l'une à côté de l'autre dans la direction de l'axe A.
8. Transformateur (110, 210) selon la revendication 1, dans lequel la partie primaire et la partie secondaire sont fixes l'une par rapport à l'autre.
10. Transformateur (10, 110) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le premier corps et le deuxième corps en matériau ferromagnétique entourent complètement les bobines primaires et les bobines secondaires.
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