EP3224840B1 - Basic module for magnetic core of an electrical transformer, magnetic core comprising said basic module, method for manufacturing said magnetic core, and transformer comprising said magnetic core - Google Patents

Basic module for magnetic core of an electrical transformer, magnetic core comprising said basic module, method for manufacturing said magnetic core, and transformer comprising said magnetic core Download PDF

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EP3224840B1
EP3224840B1 EP14824098.9A EP14824098A EP3224840B1 EP 3224840 B1 EP3224840 B1 EP 3224840B1 EP 14824098 A EP14824098 A EP 14824098A EP 3224840 B1 EP3224840 B1 EP 3224840B1
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magnetic
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Aperam SA
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    • H01F41/0226Manufacturing of magnetic circuits made from strip(s) or ribbon(s) from amorphous ribbons

Definitions

  • the invention relates to the field of electrical transformers capable of being carried on board aircraft. Their function is the galvanic isolation between the source network and the on-board electrical and electronic systems, as well as the voltage transformation between the primary circuit (network side supplied by the on-board generator(s)) and one or more several secondary circuits.
  • these transformers can be "rectifiers" by a downstream functionality based on electronic components, in order to deliver a constant voltage to certain on-board devices.
  • Low-frequency on-board transformers consist mainly of a magnetic core in soft magnetic alloy, laminated, stacked or wound according to construction constraints, and primary and secondary winding(s) in copper.
  • the primary supply currents are variable over time, periodic but not necessarily of purely sinusoidal form, which does not fundamentally change the needs of the transformer.
  • the transformer should be operated on a roughly sinusoidal frequency supply network, with an amplitude of the output rms voltage which may vary transiently by up to 60% from moment to moment, and in particular during the energization of the transformer or during the sudden engagement of an electromagnetic actuator. This has the consequence, and by construction, of a current inrush at the primary of the transformer through the nonlinear magnetization curve of the magnetic core.
  • the elements of the transformer (insulators and electronic components) must be able to withstand strong variations in this inrush current without damage, which is called the “inrush effect”.
  • the noise emitted by the transformer due to electromagnetic forces and magnetostriction must be low enough to comply with current standards or to meet the requirements of users and personnel stationed near the transformer.
  • pilots and co-pilots of aircraft wish to be able to communicate no longer using headsets but by direct voice.
  • the thermal efficiency of the transformer is also very important to consider, since it fixes both its internal operating temperature and the heat flows that must be evacuated, for example by means of an oil bath surrounding the windings and the cylinder head, associated with oil pumps sized accordingly.
  • the sources of thermal power are mainly Joule effect losses from the primary and secondary windings, and magnetic losses from variations in the magnetic flux over time d ⁇ /dt and in the magnetic material.
  • the thermal power density to be extracted is limited to a certain threshold imposed by the size and power of the oil pumps, and the internal operating limit temperature of the transformer.
  • the cost of the transformer must be kept as low as possible in order to ensure the best technical and economic compromise between material, design, manufacturing and maintenance costs, and optimization of the electrical power density (mass or volume ) of the device by taking into account the thermal regime of the transformer.
  • the criteria to be taken into consideration to assess it are mainly the saturation magnetization Js and the magnetic induction at 800 A/m B 800 .
  • the transformer comprises a wound magnetic circuit when the power supply is single-phase.
  • the core structure of the transformer is made by two toroidal cores of the previous type joined, and surrounded by a third torus wound and forming an "8" around the two previous toric cores.
  • This form of circuit imposes in practice a small thickness of the magnetic sheet (typically 0.1 mm). In fact, this technology is only used when the power supply frequency makes it necessary, taking into account the induced currents, to use strips of this thickness, that is to say typically for frequencies of a few hundred Hz.
  • a stacked magnetic circuit is used, whatever the thicknesses of the magnetic laminations envisaged. This technology is therefore valid for any frequency below a few kHz. However, particular care must be taken with deburring, juxtaposition, and even efficient electrical insulation of the sheets, in order to reduce both the parasitic air gaps (and therefore optimize the apparent power) and limit the induced currents between the sheets. .
  • an Fe-48% Co-2% V alloy optimized for transformer has a B800 of approximately 2.15 T ⁇ 0.05 T, which allows an increase in magnetic flux to 800 A/m for the same cylinder head section approximately 13% ⁇ 3%, at 2500 A/m approximately 15%, at 5000 A/m approximately 16%.
  • the two materials can have relatively little different magnetostrictions and magnetic losses.
  • the respective saturation magnetizations of the materials are not considered, nor the influence of the construction of the core on the inrush effect.
  • JP H08-250337 describes a coiled core of Si steel (for example 6.5% Si) with low noise, fragile, the cracking of which is to be avoided under the effect of vibrations and thermal stresses.
  • this core is surrounded on its two internal and external peripheries by sheets of Si steel with lower magnetostriction than those of the central part of the core, containing 3% of Si, grain oriented (see ⁇ 9° They represent 4-20% of the total mass of the core.
  • the core therefore has three superimposed windings.
  • the respective magnetostrictions of the different materials are not specified quantitatively, nor are the details of their respective magnetic properties.An influence of the construction of the nucleus on the inrush effect is not mentioned.
  • DE-A-1 813 643 discloses a low-noise suppression coil having a bilayer closed core, in particular for the suppression of semiconductor circuits, for which the properties required are not the same as those of the cores of aeronautical transformers, in particular on magnetic losses which, in the cores of interference suppression coils, must be high to result in the creation of induced currents.
  • a low magnetostriction material is effectively required in the cores of DE-A-1 813 643 , but it must be placed inside the kernel.
  • US-A-5,160,379 describes a soft magnetic alloy applicable in particular to transformers, mainly comprising Fe, which may contain Ni or Co, containing Cu, Si and/or B, and at least one metal chosen from Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo, and a crystal size of less than 1000 ⁇ .
  • JP H03-271 346 describes a soft magnetic alloy relatively comparable to those of the previous document, but necessarily containing Nb, W, Ta or Mo.
  • JP S55-88313 describes a three-phase Evans-type transformer core fitted locally with spacers to stiffen its assembly, and thus reduce the noise caused by its oscillations. It relates, essentially, to the classic three-phase transformer core design that the invention aims to improve,
  • EP-A-1 742 232 shows three-phase transformer cores consisting of two elementary modules and an additional winding surrounding them. These cores are composed of magnetic laminations of different characteristics, arranged in such a way as to obtain a uniform distribution of the magnetic flux inside the core. This makes it possible to reduce the no-load losses (iron loss) of the transformer. The problems of magnetostriction noise reduction and the inrush effect are not mentioned, as well as the means which would make it possible to obtain them.
  • JP H4 074403 describes a transformer of small size and reduced weight, of the "armored transformer” type, comprising two cores which interpenetrate and one of which is made of a “low magnetostriction” material such as Fe-Si 6.5 %.
  • WO-A-2011/107387 (D9) describes non-immersed transformer cores, in amorphous material, provided on their surface with a coating which encapsulates them and protects them from their environment (humidity, oxidation). This coating is at least one wound strip having interruptions.
  • the object of the invention is to propose a design of low-frequency electrical transformer, suitable for use in aircraft, and making it possible to best solve the technical problems just mentioned, and at the lowest cost.
  • the subject of the invention is an elementary magnetic core module of an electric transformer according to claim 1.
  • the elementary module preferably comprises one or more of the characteristics of claims 2 to 5.
  • the invention also relates to a magnetic core of a single-phase electric transformer according to claim 6.
  • the invention also relates to a single-phase electrical transformer according to claim 7.
  • the invention also relates to a magnetic core of a three-phase electric transformer according to claim 8.
  • the magnetic core preferably includes one or more of the features of claims 9 to 15.
  • the invention also relates to a three-phase electrical transformer according to claim 16.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a single-phase electric transformer core according to claim 17.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a three-phase electrical transformer core according to claim 18.
  • the method preferably includes one or more of the features of claims 19 to 23.
  • Transformer noise comes from two sources: magnetic forces and magnetostriction from the magnetic materials used in the cores of these transformers.
  • the noise resulting from the magnetic forces can be reduced quite easily in a closed magnetic circuit with very low distributed air gaps, by mechanical systems suitable for holding the various elements made of electromagnetic materials (conductors and magnetic sheets).
  • Magnetostrictive phenomena must be considered with several magnitudes of deformation ( ⁇ 100 , ⁇ 111 , ⁇ sat ) or energy.
  • the magnetostriction constants ⁇ 100 and ⁇ 111 represent the amplitude of the coupling between local magnetization and lattice deformation along the crystallographic axes ⁇ 100>, respectively ⁇ 111>.
  • This coupling is therefore also anisotropic with respect to the crystallographic reference, so that for a supposedly uniform magnetization of the metal (and, therefore, of direction given in the reference of the sample, and therefore also of specific direction in each of the crystals considered ), each crystal would tend to deform differently from its neighbor (the crystallographic orientations being necessarily different), but will be prevented from doing so by intergranular mechanical cohesion.
  • the resulting elastic stresses which can be represented in a simplified way by a quantity ⁇ i , generate a magnetoelastic energy, of order of magnitude (3/2) ⁇ i which partially demagnetizes the material (in this expression, ⁇ approximately represents an average magnetostriction of the same order of magnitude as the constants ⁇ 100 and ⁇ 111 ).
  • approximately represents an average magnetostriction of the same order of magnitude as the constants ⁇ 100 and ⁇ 111 .
  • the application of an external stress also degrades performance: this is the opposite effect of magnetostriction.
  • These magnetostriction constants ⁇ 100 and ⁇ 111 very mainly depend on the composition, and also on the crystallized fraction in the case of a nanocrystalline material, and they are known for a certain number of materials.
  • ⁇ sat is the apparent saturation magnetostriction.
  • the quantities ⁇ 100 and ⁇ 111 relate to the magnetostriction deformations along the ⁇ 100> and ⁇ 111> axes of a monocrystal free to deform.
  • the behavior of an industrial material introduces the internal elastic stress ⁇ i due to the different crystallographic orientations present, which amounts to hindering the deformation of each of the crystals. This results in an overall magnetostriction, called "apparent magnetostriction" of the material, measured from the demagnetized state, and having no rigorous explicit relationship with the constants ⁇ 100 and ⁇ 111 , other than the same order of magnitude.
  • This apparent magnetostriction ⁇ sat is determined after saturation, and therefore represents the maximum amplitude of deformation of the material when it is magnetized, relative to its starting state "demagnetized” or not, which is in all cases an initial state of deformation unknown.
  • ⁇ sat is therefore a variation in the state of deformation between two poorly identified states.
  • ⁇ sat is thus a use value which intervenes in the first order in the vibration of the magnetic laminations, the noise emitted or the compatibility of deformation between the magnetic material and its immediate vicinity (for example the packaging of a magnetic component core passive, field sensor, signal transformer, etc.).
  • the on-board network was for a long time at a fixed frequency of 400 Hz, but the variable frequency (typically 300 Hz to a few kHz) supplied directly by the generators is increasingly being used.
  • the variable frequency typically 300 Hz to a few kHz supplied directly by the generators is increasingly being used.
  • these relatively low “medium frequencies” it is advantageous to have a material with high induction and low losses (the thermal dimensioning also conditions the volume and mass of the transformer), such as thin Fe-Co alloys, thin Fe-Si electrical steels GO or NO high saturation amorphous, possibly Fe-6.5%Si.
  • This domain frequency corresponds to skin thicknesses of less than 1/10 mm, which is completely compatible with the need for thicknesses of this type in the case of a wound-type magnetic core technology according to the invention. Above 0.1 mm, it is more and more difficult to roll the metal in toroidal form.
  • the magnetic losses of an on-board transformer core should not exceed 20 W/kg of installed magnetic material, preferably less than 15 W/kg, and better still less than 10 W/kg, for a maximum induction of 1 T under a sinusoidal field at a frequency of 400 Hz (this corresponds to 2 T/400 Hz at respectively less than 80 W/kg, and preferably less than 60 W/kg and, better still, less than 40 W /kg). This condition must be met by the materials of all the transformer core windings.
  • the nanocrystalline material FeCuNbSiB given as an example in the various tables has the typical composition Fe 73.5 Cu 1 Si 15 B 7.5 Nb 3 .
  • Table 1 Technical characteristics of different magnetic materials for embedded transformers Material Thickness (mm) ⁇ el ( ⁇ .cm) ⁇ vol (kg/m 3 ) Magnetic losses at 1T (in W/kg) B t (T) Hm (B t ) (in A/m) 400Hz 1kHz 5kHz 400Hz 1kHz FeSi-NO 0.1 48 7650 11 33 350 1.8 5000 5500 FeSi-GO 0.05 48 7650 8 22 200 1.8 80 90 Fe-50%Co 0.1 45 8200 7.5 23 250 2.1 500 550 Amorphous 2605SC 0.025 125 7320 1.6 6 65 1.5 40 64 Amorphous 2605CO 0.025 130 7560 4.5 18 210 1.6 40 60 Fe-6.5/Si 0.1 75 7400 6 17 180 1.2 60 60 Fe-50%Ni (Supra 50) 0.05 48 8200 3 10
  • the work induction B t is used to dimension the magnetic circuits (FeSi, FeCo) when the frequency does not exceed 1 kHz, because the magnetic losses remain modest, therefore easy to evacuate. Beyond 1 kHz, the losses make it necessary to use a larger cooling system or to impose a reduction in B t (due to the fact that the losses are linked to the square of B t ): the iron-based amorphous then appear as an alternative interesting (lower B t but much lower losses): indeed the lower saturation magnetization Js of amorphous metals is then no longer a disadvantage, while their low magnetic losses represent a strong advantage.
  • the maximum inrush current (transient magnetizing current of a transformer) is proportional to (2B t + B r - B s ) where B t is the nominal work induction (resulting from the sizing of the magnetic circuit), B r is the remanent induction of the magnetic circuit (namely of the assembly consisting of the ferromagnetic core and the air gaps located or distributed according to the construction structure of the core), and B s is the saturation induction of the core.
  • the ideal magnetic circuit comprises an alloy with high saturation magnetization (FeSi, FeCo) and low remanence, used at reduced induction: this requires optimized design and sizing of the magnetic circuit and an adequate calibration of the air gap(s) from these materials with high magnetization at saturation Js.
  • Table 2 Expected properties of materials that can be used to form a single-material core Material Thickness (mm) H c (A/m) B t (T) Power density Acoustic noise emitted Magnetic losses A.tr and conductor losses Inrush effect Cost ideal material excellent excellent excellent excellent excellent excellent excellent Fe3%Si-NO 0.1 40-50 1.8 very good poor poor poor excellent Fe3%Si-GO 0.1 20 1.8 very good weak good good poor excellent Fe3%Si-GO 0.05 25 1.8 very good weak very good good poor excellent Fe3%Si-GO 0.05 25 1 weak good very good Very well good excellent Fe3%Si-GO 0.05 25 0.5 Wrong Very well excellent excellent excellent excellent excellent Fe-50%Co 0.1 56 2.1 excellent Wrong poor poor poor weak Fe-50%Co 0.05 54 2.1 excellent Wrong weak poor poor weak Fe-50%Co 0.05 54 0.5 poor good Very well Very well excellent weak Amorphous base iron 2605CO 0.025 4 1.6 very good poor Very well very good weak weak Amorphous base iron 2605CO 0.025 4 1 weak good
  • the elementary module of the invention is a magnetic core, of the wound type known per se, but made by combining two different soft magnetic materials, in different proportions.
  • One, majority in cross section (in other words in volume since all the elements of the module have the same depth), is distinguished by a weak magnetostriction, the other, minority in cross section, is distinguished by a strong magnetization at saturation Js and serves as a mechanical support for the first material, as an inrush limiter, and has a minor but not insignificant participation in the transformation of energy in steady state.
  • These materials may optionally be present with identical sections/volumes, but the material with high saturation magnetization Js must not exceed in section/volume the material with low magnetostriction.
  • the inventors were, in fact, surprised to find that in such a configuration, the nanocrystalline cores (materials with low magnetostriction) wound around the first core wound and previously manufactured in crystalline material with high saturation magnetization (Fe, Fe-Si , Fe-Co...) not only were well held mechanically since the support is preserved here (not only as a mechanically useful part, but above all as an essential part for the electromagnetic operation of the transformer), but that the power density obtained remained at the same level as that of an unsupported nanocrystalline core.
  • the disadvantages which would be linked to an absence of support namely the geometric instability of the nanocrystalline core, and the possible alterations in the operation of the transformer which would result therefrom.
  • composite structure means that the structure uses several magnetic materials of different natures. It is constituted as follows, and assembled in the order which will be exposed.
  • the structure first comprises a winding 1, 2 of two magnetic sub-cores each made from a strip of material consisting of a material with high magnetization at saturation Js and low losses, such as Fe-3% alloys Grain-oriented Si, Fe-6.5% Si alloys, Fe-15 alloys with a total of 55% Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mo, Ni, Mn, W textured or not, the soft iron and ferrous steels and alloys consisting of at least 90% Fe and having a coercive field Hc of less than 500A/m, ferritic Fe-Cr stainless steels containing 5 to 22% of Cr, 0 to 10% in total of Mo, Mn, Nb, Si, Al, V and more than 60% Fe, non-oriented Fe-Si-Al electrical steels, Fe-Ni alloys containing 40-60% Ni with not more than 5% additions total amounts of other elements, Fe-based magnetic amorphs containing 5-25% total B, C, Si, P and more than 60% Fe, 0-20% total
  • These two windings 1, 2 each constitute the (inner) winding support of one of the two internal magnetic sub-cores of the transformer.
  • this winding is self-supporting after extraction from the winding machine, but it can itself be wound on a more rigid support that is as light as possible so as not to weigh down the transformer too much, this support being made of any type of material, magnetic or not.
  • windings 1, 2 of the inner magnetic sub-core The function of these windings 1, 2 of the inner magnetic sub-core is to dimensionally stabilize the final magnetic circuit in C, and also to absorb the very high A.trs and the transients which occur during power-up, during connection of the transformer to the network, during the sudden inrush of power from a load... and which cause a high inrush current in the transformer (inrush effect).
  • This sub-part 1, 2 in high Js material, in a transformer sized for a much lower nanocrystalline work induction (slightly below the Js of a low magnetostriction material, i.e. ⁇ 1.2 T) will be then magnetized to saturation for the duration of the inrush (which varies from a few seconds to 1 to 2 min.) from B t .
  • the skin thickness is 0.05 to 0.2 mm (depending on the material, frequency and permeability of the medium). Therefore, a winding of material with high Js having an insufficiently low thickness compared to the thickness of the skin would shield the external field coming from the windings, and this all the more so as there would be a large number of turns of metal with high Js in the winding. It is therefore preferable to use a material with high Js of low thickness (0.05 to 0.1 mm).
  • nanocrystalline or cobalt-based amorphous on the one hand ( ⁇ r at 1 kHz > 50,000 - 100,000) and thin FeSi or FeCo alloys ( ⁇ r at 1 kHz ⁇ 3000), or also Fe-80% Ni alloys by sufficiently reducing their thickness ( ⁇ 0.07mm) on the other hand.
  • Table 3 examples of materials with high Js that can be used in the invention In weight In ppm Alloy Co Whether CR V VS min Al O NOT S B800(T) B8000(T) 1 15 0.02 0.05 ⁇ 0.005 0.017 0.25 0.01 70 22 8 2.08 2.24 2 15 1.0 0.03 0.1 0.016 0.27 0.02 48 17 11 1.95 2.18 3 18 0.05 0.04 ⁇ 0.005 0.017 0.32 0.02 56 31 7 2.12 2.30 4 18 1.0 0.007 ⁇ 0.005 0.017 0.29 ⁇ 0.01 62 25 ⁇ 5 2.00 2.23 5 10 0.03 0.05 ⁇ 0.005 0.019 0.33 ⁇ 0.01 47 22 ⁇ 5 2.01 2.12 6 27 0.03 0.5 ⁇ 0.005 0.015 0.30 0.01 82 28 6 2.03 2.28 7 48 0.008 0.07 2.0 0.019 0.28 0.02 63 19 9 2.10 2.35 8 0 3.0 0.007 ⁇ 0.005 0.017 0.27 0.01 51 18 ⁇ 5
  • the structure then comprises two additional windings 3, 4. They are each superimposed on one of the windings 1, 2 of high Js material previously described, "superposed" meaning that the additional winding 3, 4 is arranged around the corresponding winding 1, 2 of high Js material which was previously produced.
  • These additional windings 3, 4 are made with a strip of a material having both low magnetic losses and low magnetostriction, such as polycrystalline alloys Fe-75 at 82% Ni-2 at 8% (Mo, Cu, Cr, V), cobalt-based amorphous alloys, and, very preferably, FeCuNbSiB and similar nanocrystalline alloys.
  • a particularly recommended polycrystalline material with about 80% Ni is also known as Mumetal. It achieves very low magnetostriction for a composition of 81% Ni, 6% Mo, 0.2 to 0.7% Mn, 0.05 to 0.4% Si, the remainder being iron, and for appropriate heat treatment d optimization of magnetic performance, well known to those skilled in the art.
  • a particularly recommended nanocrystalline material known to those skilled in the art since the 1990s, is renowned for its very low magnetic losses from low frequencies down to 50-100kHz and for its ability to tune its magnetostriction, via the compositions adequate and adequate heat treatments, to a value of zero or very close to 0.
  • composition is given by the formula (the subscript figures corresponding to atomic percentages as is customary in the definition of such materials): [Fe 1-a Ni a ] 100-xyz- ⁇ - ⁇ - ⁇ Cu x Si y B z Nb ⁇ M' ⁇ M' ⁇ with a ⁇ 0.3; 0.3 ⁇ x ⁇ 3; 3 ⁇ y ⁇ 17, 5 ⁇ z ⁇ 20, 0 ⁇ ⁇ ⁇ 6, 0 ⁇ ⁇ ⁇ 7, 0 ⁇ ⁇ ⁇ 8, M' being at least one of the elements V, Cr, Al and Zn, M" being at least one of the elements C, Ge, P, Ga, Sb, In and Be, having a relative permeability ⁇ r of between 30,000 and 2,000,000, a saturation of more than 1 T, and even 1.25 T when the composition is optimized to achieve zero magnetostriction.
  • the nanocrystalline material shrinks approximately 1% from its initial amorphous band state. This phenomenon must therefore be taken into account in advance in the winding of the amorphous strip around the first part 1, 2 of the inner sub-core made of high Js material, before the nanocrystallization annealing. Otherwise the 1% shrinkage on the first part of the core can lead to very strong internal stresses on the two materials of the core, which makes the whole fragile to the point of risking breakage and increases the magnetic losses. Conversely, this retraction promotes the mechanical joining of the two types of materials, and therefore promotes, if it is not excessive, a better dimensional stability of the C-shaped parts after impregnation and cutting.
  • Each of these bi-material windings (1, 3; 2, 4) constitutes an internal magnetic sub-core (called “elementary module”), defining a space 5, 6 in which two of the primary windings 7, 8, 9 will be inserted. of the three phases of the transformer and two of the secondary windings 10, 11, 12 of the three phases of the transformer.
  • transformer is single-phase, only one of these elementary modules alone constitutes the magnetic core of the transformer.
  • the structure then comprises a winding 13, which is disposed around the assembly formed by said two internal magnetic sub-cores closely joined along one of their sides.
  • the winding 13 is formed from a strip of material with low magnetic losses and low magnetostriction, such as Fe-75 alloys at 82% Ni - 2 at 8% (Mo, Cu, Cr, V), alloys cobalt-based amorphous alloys, and very preferably nanocrystalline FeCuNbSiB and related alloys as defined above.
  • This winding 13 forms part of the external magnetic sub-core.
  • a section of material 13 denoted S 13
  • S 3 or S 4 which have been wound in material with low magnetostriction in the inner subnuclei.
  • ratios S 3 /S 13 or S 4 /S 13 a value of 0.8 to 1.2 to compensate for the differences in the perimeter of the winding and the possible differences in air gap between the different materials which we will talk about later. far.
  • the structure then comprises a new winding 14 superimposed (in the sense seen above with regard to the internal magnetic sub-cores) around this part 13 with low magnetic losses and low magnetostriction of the external magnetic sub-core.
  • This new winding 14, whose section will be denoted S 14 is formed from a strip of material with high Js and low losses, such as Fe-3% Si-GO, Fe-6.5% Si, Fe-15 at 55% (Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W) textured or not, soft iron and various steels, ferritic stainless steels Fe-Cr at 5 to 22% Cr, 0-10% total Mo, Mn, Nb, Si, Al, V and more than 60% Fe, Fe-Si-Al NO (non-oriented) electrical steels, Fe-Ni alloys close to 50% Ni, iron-based magnetic amorphous.
  • This final winding 14 completes the supply of magnetic material in what constitutes the wound yoke of the transformer.
  • the parts 3, 4 and 13 with low magnetic losses and low magnetostriction will have identical sections, or of the same order of magnitude, whereas the sections of materials with high Js and low losses of the first windings of the two sub-cores, 1 and 2 on the one hand, and the final winding 14 on the other hand, can be quite significantly different within the limits which are specified.
  • the nanocrystallization heat treatment of the windings 3, 4, 13 with low magnetic losses and low magnetostriction, if necessary, can be carried out at At the end of this stage, all the metallic materials having been assembled. But due to the contraction of the material 3, 4, 13 during the nanocrystallization, one is exposed after annealing to a detachment of the second winding 14 of the external sub-core with respect to the first winding 13 of the external sub-core, making much more difficult the "joining together" of the assembly before cutting. It is therefore preferable to apply this annealing at the end of the previous step, as said previously.
  • this step of setting up the winding 14 with low magnetic losses and low magnetostriction of the external sub-core it is, on the other hand, advisable to apply by deposition, or by prior bonding of the strips, or by impregnation under vacuum (or any other suitable process) a resin, an adhesive, a polymer, or another comparable substance, which will transform the whole of the magnetic yoke wound into a resistant one-piece body with high dimensional stability under stress. Hooping can possibly replace this bonding or this impregnation, or precede it.
  • the magnetic yoke thus formed is cut so as to divide the different sub-cores into two parts 15, 16 to form two elementary "half-circuits", after using the different technologies for immobilizing the strips of material and the sub-cores previously cited.
  • These two parts 15, 16 are intended to be separated by an air gap 17 as shown in the figure 1 .
  • the cutting must be done by firmly holding the magnetic yoke, within the limit of the mechanical resistance of the solidified core, and by any cutting process such as wire abrasion, cutting, water jet, laser, etc. . It is preferable to divide the cylinder head into two symmetrical parts as shown, but an asymmetry would not be contrary to the invention.
  • the surfacing or the calibration of the air gap 17 are not absolutely necessary for the invention, but they allow a better adjustment of the performance of the transformer. This makes it possible to increase inrush performance, and to make the characteristics of the transformers of a production series more reproducible.
  • the "replacement" or “assembly” of the two parts 15, 16 of the cut magnetic circuit, and possibly surfaced and wedged, can in particular be carried out by means of tightening by shrinking also using a high Js material having properties comparable to those of the material used in the winding 14, and therefore also participating (but without air gap) in attenuating the inrush effect like the other high Js materials.
  • This option is particularly interesting because it makes it possible to further lighten the magnetic circuit, while giving it strong mechanical cohesion.
  • the section of material with high Js compared to the total section, on the one hand for each sub-core taken alone, and, on the other hand, for the magnetic core taken as a whole, is worth from 2 to 50%, and preferably 4 to 40%. Therefore, this section is most generally in the minority, and in any case not in the majority, in the elementary module defined externally by the winding 14 of strip of material with high Js superimposed on the winding 13 of strip of low magnetostriction and in each of the elementary modules of the internal sub-kernel.
  • the ratio of the winding sections between materials with high Js (S 1 , S 2 , S 14 ) and materials with low magnetostriction ⁇ (S 3 , S 4 , S 13 ) must be maintained for each elementary module in a range determined for the invention to be implemented satisfactorily.
  • the proportion of high Js material (in terms of section ratios), relative to the total of the sections of the two types of materials, must be between 2 and 50%, and preferably between 4 and 40%. This can result in the following inequalities: 2 ⁇ 100 .
  • S 2 S 2 + S 4 ⁇ 50 of preference 4 ⁇ 100 .
  • S 14 S 13 + S 14 ⁇ 50 of preference 4 ⁇ 100 .
  • the material with high Js becomes predominant in section in the sub-cores and/or the core ( ⁇ 50%), then its mass unnecessarily weighs down the structure. As has been said, it only actively participates significantly in damping the inrush effect, whereas in steady state of the transformer, we want the material with high Js to only magnetize weakly. so as not to emit noise (it inevitably has medium to strong apparent magnetostriction).
  • the sizing of the transformer to achieve the desired power is essentially based on the material with low magnetostriction ⁇ . If we had less than 50% low ⁇ material (50% or more high Js material), essentially only this minority section would participate in the electrical transformation. Consequently, the high Js material is limited to a maximum of 50% of the total section of magnetic materials present in the sub-cores and the core of the transformer, as stated above.
  • the elementary half-circuits formed by the parts 15, 16 are very dimensionally stable, in particular after impregnation with a varnish and polymerization, even under the constraints of maintaining the two C-shaped parts of the elementary magnetic core. This would not be the case if the high Js parts 1, 2 were removed, which serve as mechanical supports for the low magnetostriction windings 3, 4, and stiffen each elementary core.
  • the magnetic alloys with low magnetostriction and low magnetic losses of the windings 3, 4 make it possible to satisfy most of the required requirements, in particular the very low acoustic noise emitted, even when one places oneself at a work induction B t close to saturation. This makes it possible in this case to maximize the power density, in particular in the case of nanocrystalline materials where it is possible to work up to 1.2 T. This is the other material, at high Js, of the winding 14 the outer part of the core which contributes the most to the damping of the inrush effect.
  • High Js alloys are characterized by medium (FeSi, FeNi, iron-based amorphous) to high (FeCo) amplitude magnetostriction, which makes it necessary to reduce the work induction B t very significantly (typically to at most 0.7T) to achieve low acoustic noise.
  • the inrush effect is sufficiently damped and distributed over the two types of material, and the noise emitted by each of the materials remains low, while allowing a fairly high power density, in any case better than what is known in the state of the art for solutions in which a low magnetostriction noise is primarily sought.
  • FIG 2 a single-phase transformer core 18, characterized by a rectangular-oblong shape of height h, width l and depth p, on which rests the winding of the main active material of the transformer: the material with low magnetostriction.
  • This elementary core 18 can also be integrated into a three-phase transformer circuit as shown in the figure 1 as an elementary module.
  • This oblong circuit single-phase transformer module is made with a first material with high Js, of winding thickness ep1, and with a second material with low magnetostriction wound around the first material itself wound beforehand, and having a thickness of winding ep2.
  • a and c are also the dimensions of the inner sides of the windings 3, 4 of the second material, with low magnetostriction, arranged around the windings 1, 2 of the material with high Js.
  • ep2 is equal to 20 mm.
  • ep1 is comprised, according to the tests, between 0 (absence of material at high Js) and 20 mm.
  • the depth p is variable according to the tests, because it is designed so that the power transferred is substantially the same in all the tests (of the order of 46 kVA), taking into account that the values of a and c are also the same in all tests. It will be noted (see Table 4) that p can reach values as high as 265 mm for a reference test 4 using an Fe49Co49V2 alloy alone and 176 mm for the reference test 8 using a FeSi3 alloy alone.
  • the reference solutions making use of a single nanocrystalline and the solutions of the invention which make use of a nanocrystalline and a material with high Js have a depth p that is markedly lower. In the examples according to the invention, it is of the order of 60 to 80 mm.
  • the transformer is supplied with electric current of nominal frequency 360 Hz.
  • the primary supply current has an intensity of 115 A with a number of turns N 1 generally equal to 1 turn, but being 5 turns in reference example 1 and 2 turns in reference examples 2, 3 and 4, taking into account the considered air gaps of each winding 1 and 2 on the one hand, 3 and 4 on the other hand, also taking into account the material considered for each winding (therefore of its permeability), in order to reach the work induction B t .
  • a voltage of 230 V is applied to the primary.
  • the energy conversion system in which the transformer is integrated requires that to provide a constant voltage variation V 1 of 230 V. This also amounts to supplying a constant three-phase power of 46 kVA.
  • the length of the magnetic circuit of the first material ranges from 270 to 343 mm in all the examples according to the invention and also in all the reference examples with an elementary bi-material module.
  • the inrush effect comes from the combination of the magnetic behaviors of the two materials, and in order to appreciate the innovative contribution of the presence of another magnetic material (the first material) in the core, the rolled thickness ep1 of this first material varies from 0 (which corresponds to an absence of the first material) to 20 mm depending on the tests. This corresponds to a magnetic circuit length which varies from 0 to 343.2 mm.
  • the noise comes from the magnetostriction of the materials and their level of magnetization, and therefore the noise will be mainly linked in steady state to the magnetic behavior of the second material.
  • the noise emitted by the various examples made of wound transformer cores is measured by a set of microphones placed around the transformer, in the mid-plane of the magnetic yoke.
  • the material(s) is (are) rolled up according to the basic structure defined previously.
  • Another possibility consists in precisely adjusting the air gaps (after cutting) ⁇ 1 and ⁇ 2 between the half-circuits of the windings of the first and second materials respectively, by giving them, if necessary, different values during the shaping of the cutting zones, in order to to be able to limit the magnetization of one material relative to the other. Otherwise certain uncontrolled levels of magnetization of material 1 could increase the magnetostriction or the inrush effect too much. It should, however, be remembered that the increase in an air gap increases the current necessary for the magnetization at the level B t , and therefore degrades the efficiency of the transformer. A balance will therefore have to be found between the advantages and disadvantages of the practical use of this solution.
  • the material with high Js FeCo greatly exceeds the induction of 1 T in the steady state of the transformer, and the noise of the FeCo then becomes predominant and unsatisfactory (much higher than 55 dB), but may be admissible for the duration of the Inrush effect (ie from a few fractions of a second to a few seconds).
  • the specifications for this aeronautical transformer are that the noise must be a maximum of 55 dB, at least outside the periods during which the inrush effect is felt, and the inrush factor less than or equal to 1, with the lowest possible magnetic core mass. Also, the total mass of magnetic materials should not exceed about 6.5 kg. We will see that for this last condition to be fulfilled at the same time as the other two, the total section of the high Js material relative to the total section of magnetic materials in the core exceeds 50%. This condition must also be respected if we reason on each of the internal and external sub-nuclei taken in isolation. In order not to complicate Table 4, only the ratio of the total sections has been specified there, but it must be understood that all the examples according to the invention also meet the condition for each of their sub-cores.
  • Examples 1 to 12, 18, 18B, 19 to 21 inclusive of Table 4 are therefore reference examples, and Examples 13 to 17 inclusive, 18C, 22 to 24 inclusive are examples according to the invention which meet all the criteria of the specifications as defined above.
  • the Js of the different materials are 2.00 T for FeCo27, 2.35 T for FeCo50V2, 2.03 T for FeSi3, 1.25 T for nanocrystalline.
  • Table 4 Performance of different core configurations tested Second material First material Steady state Mass and section Ex. Materials 2 + 1 thickness 2 mm thickness 1 mm P mm B, matte. 2 B t,2 (T) Br matt. 2 Br (T) B t matt. 1 B t,1 (T) d ⁇ /dt (V) Noise (dB) Inrush index Matt mass. 1 (kg) Matt mass. 2 (kg) Total mass (kg) % weight of mat. 1 (at high Js % section of mat. 1 (at high Js) Three-phase power (kVA) Matt air gap.
  • the nanocrystalline solution alone necessarily requires the use of a temporary or permanent winding support. In the case where it is permanent, it increases the mass of the nanocrystalline circuit as we have just said.
  • reference examples 12 nanocrystalline alone
  • 17 according to the invention nanocrystalline composite core cycle coated or cut + FeCo27
  • the noise emitted is lower for the 100% nanocrystalline solution (41 dB against 52 dB for the coated or cut cycle nanocrystalline composite core solution + FeCo27), but in both cases the noise is below the admissible threshold of 55 dB.
  • Example 12 uses a mass of nanocrystalline material of 5.0 kg, to which must be added a minimum mass of 200 to 300 g of non-magnetic Teflon, aluminum or stainless steel. Two possible cases have been considered for this example: permanent support and non-permanent support.
  • Table 5 cites the successive operations in these three embodiments, and compares the orders of magnitude of the costs of each step (from +: inexpensive to +++: expensive; 0: step absent from the embodiment) of the solutions in the case of making a functional sub-assembly of a single toroid (single-phase transformer type): Table 5: Cost comparison of solutions 12 (reference) and 17 (invention) Step no. 100% nanocrystalline solution (n°12), non-permanent support Stage cost 100% nanocrystalline solution (n°12), permanent support Stage cost Solution according to the invention (No.
  • Table 5 shows that there are fewer operations in the case of the invention, and, moreover, some of the operations common to the various solutions are less costly in the case of the invention. Indeed, when cutting and assembling C parts in 100% nanocrystalline material (example 12 without permanent mechanical support), the absence of stiffening mechanical support (case “without permanent support”) requires maintaining the C carefully, therefore using appropriate clamping jigs so as not to deform and damage the parts.
  • the FeCo support constitutes a mechanical core avoiding irreversible mechanical deformations, and is at the same time used functionally on the electromagnetic and electrical plane.
  • the 100% nanocrystalline solution of the prior art is either a little more expensive because of the greater number of operations and heavier because of the mass of the support ( case of the permanent support), or (case of the non-permanent support) of equal or slightly higher mass, but in any case much more expensive to produce. It therefore does not constitute, overall, a satisfactory solution to the problems which the invention sought to solve.
  • Example 21 By further increasing the proportion of FeCo, and therefore by making the magnetic circuit heavier (case of more than 30% by weight and more than 50% by section of FeCo, examples 19, 20 and 21), we see that the effect of inrush can be drastically reduced to a negative index. In this case, the magnetic circuit reaches a mass of around 7 kg (for a zero inrush index). This mass can however be considered a little too high for this technical solution to be fully satisfactory, especially since, moreover, the noise is only relatively slightly below the acceptable maximum of 55 dB (examples 19 and 20 ) or is above this acceptable maximum (example 21). A mass of the order of 6.5 kg would generally be considered acceptable, but only if, moreover, the noise and inrush conditions are respected. This explains why Example 21 is not considered to be part of the invention.
  • the picture 3 summarizes the performance of different possible magnetic circuit solutions in an inrush-noise index diagram where the transformer masses corresponding to the different points are also specified.
  • the dotted lines show the maximum noise values of 55 dB and the inrush index of 1 required by the specifications cited above.
  • This last point, which is also part of the specifications, also makes it possible to guarantee that the core of the transformer is very light, of the order of 6.5 kg or less.
  • the Inrush Index is always a strictly decreasing function of the mass of the magnetic yoke. But this curve is not linear, and it makes it possible in the case of the example analyzed to determine magnetic yoke solutions with fairly low mass (4 to 6.5 kg) for an already very low inrush index. In a different way, the noise depends not only on the mass, but also on the choice of the material(s) used (via their magnetostrictive properties).
  • High Js materials can be used in the same magnetic core, for example a Goss textured Fe-3%Si alloy in the inner winding of the inner sub-cores and an Fe-50%Co alloy in the outer winding of the sub - outer core.
  • Several materials with low magnetostriction can be used in the same magnetic core, such as, for example, a nanocrystalline FeCuNbSiB alloy of the composition specified above, in the inner winding of the inner sub-cores and an amorphous cobalt base in the winding. exterior of the outer subnucleus. It is best to use the same material for both inner sub-cores. It is preferable to keep the rule of conservation of the magnetic flux “J s .Section” between the three sub-parts concerned with materials with low magnetostriction.
  • nanocrystalline materials is recommended with respect to the use of other types of materials with low magnetostriction.
  • nanocrystalline materials of FeCuNbSiB composition mentioned which constitute privileged but not exclusive examples of materials that can be used for the implementation of the invention, are known to make it possible to adjust their magnetostriction to 0 by an adequate heat treatment, while their magnetization at saturation remains relatively high (1.25 T), therefore conducive to not making the transformer too heavy (see the dimensioning principles already mentioned influencing d ⁇ /dt and the inrush).
  • the invention is not only valid for a three-phase structure with two sub-cores placed side by side and nested in a third sub-core, but is also applicable to a simple magnetic core of a single-phase transformer, or to any other nesting of a higher number of magnetic sub-cores, for example in the case of polyphase transformers with more than three phases.
  • a person skilled in the art will be able without difficulty to adapt the design of the transformer according to the invention to this latter case.
  • the cutting of the finished magnetic core, forming the air gap 17, so as to better fill the winding window and therefore to reduce the mass/volume of the magnetic core, is not essential, but it is very preferable both for the previous reason since the power density is increased, via the optimal filling of the winding window, but also to lower the remanent induction of the magnetic circuit.
  • An additional advantage of the cut is to be able to possibly differentiate the air gaps ⁇ 1 and ⁇ 2 of the two materials, in order to better control the maximum level of magnetization of the first material with high Js and high magnetostriction.
  • the adjustment of the air gap can therefore be different between materials with low magnetostriction and materials with high Js, as we have seen on most of the examples according to the invention in table 4 and as represented on the figures 1 and 2 .
  • the magnetostriction is very low, the cyclic deformation of the materials will be very low and the air gap wedging will only propagate and amplify little noise.
  • materials with high Js very magnetostrictive, even for low work inductions in steady state (less than 0.8 T, or even less than 0.4 T) the vibrations may still be sufficient to generate noise above the highest requirements. In this case it may be preferable to machine a slight air gap, greater than that of the material with low magnetostriction, so that the materials with high Js are not in contact with the wedge, which makes it possible to reduce the emission of noise.
  • ⁇ 1 and/or ⁇ 2 for the various parts of the core, in other words. that the air gaps ( ⁇ 1, ⁇ 2) separating the two parts of the various windings (1, 2, 3, 4, 13, 14) are not all identical between the internal magnetic sub-core and the external magnetic sub-core.
  • the surfacing of the cut faces of the magnetic core is not essential, but it is preferable because it allows a better dimensioning of the performances of the transformer. This makes it possible to increase inrush performance, and to make transformers more reproducible during industrial production.
  • Calibrating the air gap using a wedge is not essential, but it is preferable to precisely adjust the remanent induction (linked in particular to the inrush effect) and the maximum level of magnetization accessible in each material, and to make more reproducible processors in industrial production.
  • the cutting symmetry of the magnetic core is not essential.
  • the different materials do not necessarily have the same width.
  • three strips of FeCuNbSiB nanocrystallizable amorphous of width l each can be wound around a pre-wound torus of internal FeSi or FeCo sub-core of width 3l. This brings the advantage of providing the same mechanical winding support for the FeCuNbSiB strips which are especially easy to produce and use when their width is less than 20-25 mm, whereas the needs for the magnetic cores of on-board transformers can greatly exceed such widths.
  • All materials, or only some of them, can be wound in the amorphous or work-hardened or partially crystallized state (depending on the case), or else be wound in the nanocrystallized state (FeCuNbSiB), relaxed (amorphous iron base or cobalt base) or crystallized (Fe-80%Ni, FeCo, FeSi, other polycrystalline materials).

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Description

L'invention concerne le domaine des transformateurs électriques susceptibles d'être embarqués à bord d'aéronefs. Leur fonction est l'isolation galvanique entre le réseau-source et les systèmes électriques et électroniques embarqués, ainsi que la transformation de tension entre le circuit primaire (côté réseau d'alimentation par la/les génératrice(s) de bord) et un ou plusieurs circuits secondaires. De plus ces transformateurs peuvent être « redresseurs » par une fonctionnalité avale à base de composants électroniques, afin de délivrer une tension constante à certains appareils de bord.The invention relates to the field of electrical transformers capable of being carried on board aircraft. Their function is the galvanic isolation between the source network and the on-board electrical and electronic systems, as well as the voltage transformation between the primary circuit (network side supplied by the on-board generator(s)) and one or more several secondary circuits. In addition, these transformers can be "rectifiers" by a downstream functionality based on electronic components, in order to deliver a constant voltage to certain on-board devices.

Les transformateurs embarqués basse fréquence (≤ 1kHz) sont constitués principalement d'un noyau magnétique en alliage magnétique doux, feuilleté, empilé ou enroulé suivant les contraintes de construction, et d'enroulements primaire et secondaire(s) en cuivre. Les courants primaires d'alimentation sont variables dans le temps, périodiques mais pas nécessairement de forme purement sinusoïdale, ce qui ne change pas fondamentalement les besoins du transformateur.Low-frequency on-board transformers (≤ 1kHz) consist mainly of a magnetic core in soft magnetic alloy, laminated, stacked or wound according to construction constraints, and primary and secondary winding(s) in copper. The primary supply currents are variable over time, periodic but not necessarily of purely sinusoidal form, which does not fundamentally change the needs of the transformer.

Les contraintes pesant sur ces transformateurs sont multiples.The constraints weighing on these transformers are multiple.

Ils doivent avoir un volume et/ou une masse (en général les deux sont très liés) les plus réduits possibles, donc une densité de puissance volumique ou massique aussi élevée que possible. Plus la fréquence de fonctionnement est basse, plus la section de la culasse magnétique et le volume (donc aussi la masse) de cette culasse sont importants, ce qui exacerbe l'intérêt de la miniaturiser dans les applications basse fréquence. Comme la fréquence fondamentale est très souvent imposée, cela revient à obtenir un flux magnétique de travail le plus élevé possible ou bien, si la puissance électrique délivrée est imposée, à réduire au maximum la section de passage du flux magnétique (et donc la masse des matériaux), toujours pour accroître la puissance massique par réduction des masses embarquées.They must have a volume and/or a mass (in general the two are closely linked) as small as possible, therefore a volumetric or mass power density as high as possible. The lower the operating frequency, the greater the section of the magnetic yoke and the volume (thus also the mass) of this yoke, which exacerbates the interest in miniaturizing it in low-frequency applications. As the fundamental frequency is very often imposed, this amounts to obtaining the highest possible magnetic working flux or, if the electrical power delivered is imposed, to reducing as much as possible the passage section of the magnetic flux (and therefore the mass of the materials), always to increase the specific power by reducing the on-board masses.

Ils doivent avoir une longévité suffisante (10 à 20 ans au minimum suivant les applications) pour permettre de les rentabiliser. De ce fait, le régime thermique de fonctionnement doit être bien pris en compte vis-à-vis du vieillissement du transformateur. Typiquement une durée de vie minimale de 100 000 h à 200°C est souhaitée.They must have a sufficient longevity (10 to 20 years minimum depending on the applications) to enable them to be profitable. Therefore, the thermal operating regime must be taken into account with respect to the aging of the transformer. Typically a minimum lifetime of 100,000 hours at 200°C is desired.

Le transformateur doit fonctionner sur un réseau d'alimentation à fréquence grossièrement sinusoïdale, avec une amplitude de la tension efficace de sortie pouvant varier de façon transitoire jusqu'à 60% d'un moment à l'autre, et en particulier lors de la mise sous tension du transformateur ou lors de l'enclenchement brutal d'un actionneur électromagnétique. Cela a pour conséquence, et par construction, un appel de courant au primaire du transformateur au travers de la courbe d'aimantation non linéaire du noyau magnétique. Les éléments du transformateur (isolants et composants électroniques) doivent pouvoir supporter sans dommages de fortes variations de ce courant d'appel, ce que l'on nomme « effet d'inrush ».The transformer should be operated on a roughly sinusoidal frequency supply network, with an amplitude of the output rms voltage which may vary transiently by up to 60% from moment to moment, and in particular during the energization of the transformer or during the sudden engagement of an electromagnetic actuator. This has the consequence, and by construction, of a current inrush at the primary of the transformer through the nonlinear magnetization curve of the magnetic core. The elements of the transformer (insulators and electronic components) must be able to withstand strong variations in this inrush current without damage, which is called the “inrush effect”.

Le bruit émis par le transformateur dû aux forces électromagnétiques et à la magnétostriction doit être suffisamment bas pour être conforme aux normes en vigueur ou pour satisfaire les exigences des utilisateurs et du personnel posté à proximité du transformateur. De plus en plus, les pilotes et copilotes d'aéronefs souhaitent pouvoir communiquer non plus à l'aide de casques mais par voix directe.The noise emitted by the transformer due to electromagnetic forces and magnetostriction must be low enough to comply with current standards or to meet the requirements of users and personnel stationed near the transformer. Increasingly, pilots and co-pilots of aircraft wish to be able to communicate no longer using headsets but by direct voice.

Le rendement thermique du transformateur est également très important à considérer, puisqu'il fixe à la fois sa température de fonctionnement interne et les flux de chaleur qui doivent être évacués, par exemple au moyen d'un bain d'huile entourant les enroulements et la culasse, associé à des pompes à huile dimensionnées en conséquence. Les sources de puissance thermique sont principalement les pertes par effet Joule issues des enroulements primaire et secondaires, et les pertes magnétiques issues des variations du flux magnétique dans le temps dΦ/dt et dans le matériau magnétique. Dans la pratique industrielle, la puissance thermique volumique à extraire est limitée à un certain seuil imposé par la taille et la puissance des pompes à huile, et la température limite de fonctionnement interne du transformateur.The thermal efficiency of the transformer is also very important to consider, since it fixes both its internal operating temperature and the heat flows that must be evacuated, for example by means of an oil bath surrounding the windings and the cylinder head, associated with oil pumps sized accordingly. The sources of thermal power are mainly Joule effect losses from the primary and secondary windings, and magnetic losses from variations in the magnetic flux over time dΦ/dt and in the magnetic material. In industrial practice, the thermal power density to be extracted is limited to a certain threshold imposed by the size and power of the oil pumps, and the internal operating limit temperature of the transformer.

Enfin, le coût du transformateur doit être maintenu aussi bas que possible afin d'assurer le meilleur compromis technico-économique entre coûts des matériaux, de conception, de fabrication et d'entretien, et optimisation de la densité de puissance électrique (massique ou volumique) du dispositif au travers de la prise en compte du régime thermique du transformateur.Finally, the cost of the transformer must be kept as low as possible in order to ensure the best technical and economic compromise between material, design, manufacturing and maintenance costs, and optimization of the electrical power density (mass or volume ) of the device by taking into account the thermal regime of the transformer.

De manière générale, on a intérêt à rechercher la densité de puissance massique/volumique la plus élevée possible. Les critères à prendre en considération pour l'apprécier sont principalement l'aimantation à saturation Js et l'induction magnétique à 800 A/m B800.In general, it is advantageous to seek the highest possible mass/volume power density. The criteria to be taken into consideration to assess it are mainly the saturation magnetization Js and the magnetic induction at 800 A/m B 800 .

On utilise actuellement deux technologies de fabrication des transformateurs embarqués basse fréquence.Two manufacturing technologies are currently used for on-board low-frequency transformers.

Selon une première de ces techniques, le transformateur comporte un circuit magnétique enroulé lorsque l'alimentation est monophasée. Lorsque l'alimentation est triphasée, la structure du noyau du transformateur est réalisée par deux noyaux toriques du type précédent accolés, et entourés par un troisième tore enroulé et formant un « 8 » autour des deux noyaux toriques précédents. Cette forme de circuit impose en pratique une épaisseur faible de la tôle magnétique (typiquement 0.1 mm). De fait, cette technologie est utilisée seulement lorsque la fréquence d'alimentation contraint, compte tenu des courants induits, à utiliser des bandes de cette épaisseur, c'est-à-dire typiquement pour des fréquences de quelques centaines de Hz.According to a first of these techniques, the transformer comprises a wound magnetic circuit when the power supply is single-phase. When the power supply is three-phase, the core structure of the transformer is made by two toroidal cores of the previous type joined, and surrounded by a third torus wound and forming an "8" around the two previous toric cores. This form of circuit imposes in practice a small thickness of the magnetic sheet (typically 0.1 mm). In fact, this technology is only used when the power supply frequency makes it necessary, taking into account the induced currents, to use strips of this thickness, that is to say typically for frequencies of a few hundred Hz.

Selon la seconde de ces techniques, on utilise un circuit magnétique empilé, quelles que soient les épaisseurs de tôles magnétiques envisagées. Cette technologie est donc valable pour toute fréquence inférieure à quelques kHz. Cependant un soin particulier doit être apporté à l'ébavurage, à la juxtaposition, voire à l'isolation électrique performante des tôles, afin de réduire à la fois les entrefers parasites (et donc optimiser la puissance apparente) et limiter les courants induits entre tôles.According to the second of these techniques, a stacked magnetic circuit is used, whatever the thicknesses of the magnetic laminations envisaged. This technology is therefore valid for any frequency below a few kHz. However, particular care must be taken with deburring, juxtaposition, and even efficient electrical insulation of the sheets, in order to reduce both the parasitic air gaps (and therefore optimize the apparent power) and limit the induced currents between the sheets. .

Dans l'une ou l'autre de ces technologies, on utilise dans les transformateurs de puissance embarqués, et quelle que soit l'épaisseur de bande envisagée, un matériau magnétique doux à haute perméabilité. Deux familles de ces matériaux existent dans des épaisseurs de 0,35 mm à 0,1 voire 0,05 mm, et se distinguent clairement par leurs compositions chimiques :

  • les alliages Fe-3% Si (les compositions des alliages sont, dans tout le texte données en % pondéraux, à l'exception de celle des alliages nanocristallins dont il sera question par la suite) dont la fragilité et la résistivité électrique sont principalement contrôlées par la teneur en Si ; leurs pertes magnétiques sont assez faibles (alliages à grains non orientés N.O.) à faibles (alliages à grains orientés G.O.), leur aimantation à saturation Js est élevée (de l'ordre de 2T), leur coût est très modéré ; il existe deux sous familles de Fe-3% Si utilisées soit pour une technologie de noyau de transformateur embarqué, soit pour une autre :
    • ∘ les Fe-3% Si à Grains Orientés (G.O.),utilisés pour les structures de transformateur embarqué de type « enroulé » : leur perméabilité élevée (B800 = 1.8 - 1.9 T) est liée à leur texture {110} <001> très prononcée ; ces alliages ont l'avantage d'être peu coûteux, faciles à mettre en forme, de grande perméabilité, mais leur saturation est limitée à 2 T, et ils présentent une non-linéarité très marquée de la courbe d'aimantation qui peut provoquer des harmoniques très importantes ;
    • ∘ les Fe-3% Si à grains Non Orientés (N.O.), utilisés pour les structures de transformateur embarqué de type « découpé-empilé » ; leur perméabilité est plus réduite, leur aimantation à saturation est similaire à celle des G.O. ;
  • les alliages Fe-48% Co-2% V, dont la fragilité et la résistivité électrique sont principalement contrôlées par le vanadium ; ils doivent leurs perméabilités magnétiques élevées non seulement à leurs caractéristiques physiques (anisotropie magnétocristalline K1 faible) mais aussi au refroidissement après recuit final qui règle K1 à une valeur très basse ; du fait de leur fragilité dès qu'ils séjournent quelques secondes entre 400 et 700°C, ces alliages doivent être mis en forme à l'état écroui (par découpe, estampage, pliage...), et une fois seulement que la pièce possède sa forme finale (rotor ou stator de machine tournante, profil en E ou I de transformateur) le matériau est alors recuit en dernière étape ; de plus, à cause de la présence de V, la qualité de l'atmosphère de recuit doit être parfaitement contrôlée pour ne pas être oxydante ; enfin le prix de ce matériau, très élevé (20 à 50 fois celui du Fe-3% Si - G.O.), est lié à la présence de Co et est grossièrement proportionnel à la teneur en Co.
In one or the other of these technologies, a soft magnetic material with high permeability is used in the on-board power transformers, and whatever the thickness of the band envisaged. Two families of these materials exist in thicknesses of 0.35 mm to 0.1 or even 0.05 mm, and are clearly distinguished by their chemical compositions:
  • Fe-3% Si alloys (the compositions of the alloys are, throughout the text given in % by weight, with the exception of that of the nanocrystalline alloys which will be discussed later) whose fragility and electrical resistivity are mainly controlled by the Si content; their magnetic losses are quite low (alloys with non-oriented grains NO) to low (alloys with oriented grains GO), their magnetization at saturation Js is high (about 2T), their cost is very moderate; there are two sub-families of Fe-3% Si used either for an embedded transformer core technology or for another:
    • ∘ Grain Oriented (GO) Fe-3% Si, used for “wound” type on-board transformer structures: their high permeability (B800 = 1.8 - 1.9 T) is linked to their very texture {110} <001>pronounced; these alloys have the advantage of being inexpensive, easy to shape, of high permeability, but their saturation is limited to 2 T, and they have a very marked non-linearity of the magnetization curve which can cause very important harmonics;
    • ∘ Fe-3% Si with Non-Oriented (NO) grains, used for “cut-stacked” type on-board transformer structures; their permeability is lower, their saturation magnetization is similar to that of GOs;
  • Fe-48% Co-2% V alloys, whose fragility and electrical resistivity are mainly controlled by vanadium; they owe their high magnetic permeabilities not only to their physical characteristics (low magnetocrystalline anisotropy K1) but also to the cooling after final annealing which sets K1 to a very low value; because of their fragility as soon as they remain for a few seconds between 400 and 700°C, these alloys must be shaped in the work-hardened state (by cutting, stamping, bending, etc.), and only once the part has its final shape (rotor or stator of a rotating machine, E or I profile of a transformer) the material is then annealed in the last step; moreover, because of the presence of V, the quality of the annealing atmosphere must be perfectly controlled so as not to be oxidizing; finally the price of this material, very high (20 to 50 times that of Fe-3% Si - GO), is linked to the presence of Co and is roughly proportional to the Co content.

Outre ces deux familles de matériaux à haute perméabilité (Fe-3% Si G.O. et Fe-48% Co-2% V) utilisées principalement actuellement dans les transformateurs de puissance basse fréquence embarqués, on rencontre parfois les amorphes base Fer lorsque l'exigence sur la thermique (dissipation, pertes magnétiques) est très forte, ce qui impose alors de dégrader beaucoup la densité de puissance (Js = 1,88 T). Les amorphes ne sont utilisés que dans les circuits enroulés.In addition to these two families of high permeability materials (Fe-3% Si G.O. and Fe-48% Co-2% V) mainly currently used in on-board low-frequency power transformers, iron-based amorphous materials are sometimes encountered when the requirement on the thermal (dissipation, magnetic losses) is very high, which then imposes a significant degradation of the power density (Js = 1.88 T). Amorphous are only used in wound circuits.

Il est connu également depuis longtemps que les additions de Co dans le fer augmentent la saturation magnétique de l'alliage, jusqu'à atteindre 2,4 T vers 35 à 50 % de Co, et on aurait donc pu s'attendre à voir utiliser d'autres matériaux à base FeCo et contenant moins de cobalt que le Fe-48% Co-2% V dans les transformateurs embarqués.It has also been known for a long time that additions of Co to iron increase the magnetic saturation of the alloy, up to 2.4 T towards 35 to 50% Co, and one would therefore have expected to see the use other materials based on FeCo and containing less cobalt than Fe-48%Co-2%V in on-board transformers.

Malheureusement, il s'avère que ces alliages à moindre teneur en Co ont une anisotropie magnétocristalline de plusieurs dizaines de kJ/m3, ce qui ne les autorise pas à avoir une perméabilité élevée dans le cas d'une distribution aléatoire des orientations cristallographiques finales. Dans le cas des tôles magnétiques à moins de 48% de Co pour transformateurs embarqués moyenne fréquence, on sait donc depuis longtemps que les chances de succès passent nécessairement par une texture aiguë caractérisée par le fait qu'en chaque grain, un axe <100> est très proche de la direction de laminage. La texture {110}<001> obtenue par Goss en 1946 dans les Fe-3% Si par recristallisation secondaire en est un cas illustre : cependant la tôle ne devait pas contenir de cobalt.Unfortunately, it turns out that these alloys with a lower Co content have a magnetocrystalline anisotropy of several tens of kJ/m 3 , which does not allow them to have a high permeability in the case of a random distribution of the final crystallographic orientations. . In the case of magnetic sheets with less than 48% Co for medium-frequency on-board transformers, it has therefore been known for a long time that the chances of success necessarily pass through a sharp texture characterized by the fact that in each grain, an axis <100> is very close to the rolling direction. The {110}<001> texture obtained by Goss in 1946 in Fe-3% Si by secondary recrystallization is an illustrious case: however the sheet must not have contained any cobalt.

Plus récemment, on a montré dans le document US-A-3 881 967 qu'avec des additions de 4 à 6% de Co et 1 à 1,5% de Si, et en utilisant aussi une recristallisation secondaire, de hautes perméabilités pouvaient aussi être obtenues : B800 ≈ 1,98 T, soit un gain de 0.02 T/% Co à 800 A/m par rapport aux meilleures tôles Fe-3% Si G.O. actuelles (B10 ≈ 1,90 T). Il est cependant évident qu'une augmentation de seulement 4% du B800 n'est pas suffisante pour alléger sensiblement un transformateur. A titre comparatif, un alliage Fe-48% Co-2% V optimisé pour transformateur présente un B800 d'environ 2,15 T ± 0,05 T, ce qui permet un accroissement de flux magnétique à 800 A/m pour une même section de culasse d'environ 13% ± 3 %, à 2500 A/m d'environ 15 %, à 5000 A/m d'environ 16 %.More recently, we have shown in the document US-A-3,881,967 than with additions of 4–6% Co and 1–1.5% Si, and also using recrystallization secondary, high permeabilities could also be obtained: B800 ≈ 1.98 T, i.e. a gain of 0.02 T/% Co at 800 A/m compared to the best current Fe-3% Si GO sheets (B10 ≈ 1.90 T ). It is however obvious that an increase of only 4% of the B 800 is not sufficient to significantly lighten a transformer. For comparison, an Fe-48% Co-2% V alloy optimized for transformer has a B800 of approximately 2.15 T ± 0.05 T, which allows an increase in magnetic flux to 800 A/m for the same cylinder head section approximately 13% ± 3%, at 2500 A/m approximately 15%, at 5000 A/m approximately 16%.

Il faut également signaler la présence dans les Fe-3% Si G.O. de gros grains dus à la recristallisation secondaire, et d'une très faible désorientation entre cristaux autorisant un B800 de 1,9 T, couplés à la présence d'un coefficient de magnétostriction λ100 très nettement supérieur à 0. Cela rend ce matériau très sensible aux contraintes de montage et de fonctionnement, ce qui ramène dans la pratique industrielle le B800 d'un Fe-3% Si G.O. en fonctionnement dans un transformateur embarqué à environ 1,8 T. C'est également le cas pour les alliages de US-A-3 881 967 . Par ailleurs, le Fe-48% Co-2% V a des coefficients de magnétostriction d'amplitude encore 4 à 5 fois plus élevée que le Fe-3% Si, mais une distribution aléatoire des orientations cristallographiques et une petite taille moyenne des grains (quelques dizaines de microns), ce qui le rend beaucoup moins sensible aux faibles contraintes, et donc ne diminue pas significativement le B800 en fonctionnement.It should also be noted the presence in the Fe-3% Si GO of large grains due to secondary recrystallization, and of a very slight disorientation between crystals allowing a B 800 of 1.9 T, coupled with the presence of a coefficient of magnetostriction λ 100 very clearly greater than 0. This makes this material very sensitive to assembly and operating constraints, which in industrial practice brings the B800 of a Fe-3% Si GO in operation in an on-board transformer to around 1.8 T. This is also the case for alloys of US-A-3,881,967 . On the other hand, Fe-48%Co-2%V has magnetostriction coefficients of amplitude still 4 to 5 times higher than Fe-3%Si, but random distribution of crystallographic orientations and small average grain size. (a few tens of microns), which makes it much less sensitive to low stresses, and therefore does not significantly reduce the B800 in operation.

En fonctionnement, il faut donc considérer que le remplacement d'un Fe 3% Si G.O. par un Fe-48% Co-2% V amène un accroissement du flux magnétique à section constante du transformateur embarqué de l'ordre de 20 à 25% pour des amplitudes de champ de fonctionnement de 800 à 5000 A/m, soit donc environ 0,5 % d'accroissement du flux magnétique par 1 % de Co. L'alliage de US-A-3 881 967 permet un accroissement de 1% du flux magnétique par 1% de Co, mais comme on l'a dit, cet accroissement total (4%) a été jugé beaucoup trop faible pour justifier le développement de ce matériau.In operation, it must therefore be considered that the replacement of a Fe 3% Si GO by a Fe-48% Co-2% V leads to an increase in the magnetic flux at constant section of the on-board transformer of the order of 20 to 25% for operating field amplitudes of 800 to 5000 A/m, i.e. approximately 0.5% increase in magnetic flux per 1% of Co. The alloy of US-A-3,881,967 allows an increase of 1% of the magnetic flux by 1% of Co, but as we said, this total increase (4%) was considered much too low to justify the development of this material.

On a aussi proposé, notamment dans le document US-A-3 843 424 , d'utiliser un alliage Fe-5 à 35% Co, comportant moins de 2% Cr et moins de 3% Si, et présentant une texture de Goss obtenue par recristallisation primaire et croissance normale de grain. Des compositions Fe-27% Co-0.6% Cr ou Fe-18% Co-0.6% Cr sont citées comme permettant d'atteindre 2.08 T à 800 A/m et 2.3 T à 8000 A/m. Ces valeurs permettraient en fonctionnement, par rapport à une tôle Fe-3% Si-G.O. fonctionnant à 1.8 T à 800 A/m, et à 1.95 T à 5000 A/m, d'augmenter de 15% à 800 A/m et de 18% à 5000 A/m le flux magnétique dans une section de culasse donnée, et donc de réduire d'autant le volume ou la masse du transformateur. Ainsi on a proposé plusieurs compositions et procédés de fabrication d'alliages Fe-bas Co (avec des additions éventuelles d'éléments d'alliage) permettant de façon générale d'obtenir des inductions magnétiques à 800A/m proches de celles accessibles avec les alliages commerciaux Fe-48% Co-2% V, mais avec des teneurs en Co (et donc des prix de revient) sensiblement moindres (18 à 25 %).It has also been proposed, in particular in the document US-A-3,843,424 , to use an Fe-5 alloy with 35% Co, comprising less than 2% Cr and less than 3% Si, and having a Goss texture obtained by primary recrystallization and normal grain growth. Fe-27% Co-0.6% Cr or Fe-18% Co-0.6% Cr compositions are cited as making it possible to reach 2.08 T at 800 A/m and 2.3 T at 8000 A/m. These values would allow in operation, compared to an Fe-3% Si-GO sheet operating at 1.8 T at 800 A/m, and at 1.95 T at 5000 A/m, to increase by 15% at 800 A/m and by 18% at 5000 A/m the magnetic flux in a given yoke section, and therefore to reduce the volume accordingly or transformer ground. Thus, several compositions and manufacturing processes for Fe-low Co alloys have been proposed (with possible additions of alloying elements) generally making it possible to obtain magnetic inductions at 800A/m close to those accessible with alloys commercial Fe-48% Co-2% V, but with significantly lower Co contents (and therefore cost prices) (18 to 25%).

En résumé, les différentes problématiques auxquelles les concepteurs de transformateurs aéronautiques sont confrontés peuvent se poser ainsi.In summary, the various problems with which the designers of aeronautical transformers are confronted can thus be posed.

En l'absence d'exigence forte sur le bruit dû à la magnétostriction, le compromis entre les exigences sur un faible effet d'inrush, une forte densité massique du transformateur, un bon rendement et des pertes magnétiques faibles conduisent à utiliser des solutions mettant en jeu des noyaux magnétiques enroulés en Fe-Si G.O., en Fe-Co ou en amorphes à base fer, ou des solutions mettant en jeu des noyaux magnétiques en pièces découpées et empilées en Fe-Si N.O. ou en Fe-Co.In the absence of strong requirements on the noise due to magnetostriction, the compromise between the requirements on a low inrush effect, a high mass density of the transformer, a good efficiency and low magnetic losses lead to the use of solutions putting involving wound magnetic cores of Fe-Si G.O., Fe-Co or iron-based amorphous, or solutions involving cut-and-stack magnetic cores of Fe-Si N.O. or Fe-Co.

Mais ces exigences sur un faible bruit de magnétostriction étant de plus en plus répandues, il n'est pas possible de les satisfaire avec les technologies précédentes autrement qu'en augmentant le volume et la masse du transformateur, car on ne sait pas faire baisser le bruit autrement qu'en réduisant l'induction de travail moyenne Bt, donc en augmentant la section du noyau et la masse totale pour maintenir le même flux magnétique de travail. Il faut abaisser Bt à environ 1 T, au lieu de 1,4 à 1,7 T pour les Fe-Si ou les Fe-Co en l'absence d'exigences sur le bruit. Il faut aussi, souvent, capitonner le transformateur, d'où une augmentation de son poids et de son encombrement.But these requirements on a low noise of magnetostriction being more and more widespread, it is not possible to satisfy them with the preceding technologies other than by increasing the volume and the mass of the transformer, because one does not know how to lower the noise other than by reducing the average working induction B t , therefore increasing the section of the core and the total mass to maintain the same working magnetic flux. B t must be lowered to approximately 1 T, instead of 1.4 to 1.7 T for Fe-Si or Fe-Co in the absence of noise requirements. It is also often necessary to pad the transformer, resulting in an increase in its weight and its size.

Seul un matériau à magnétostriction nulle permettrait, à première vue, de résoudre le problème, et à condition d'avoir une induction de travail supérieure à celle des solutions actuelles. Seuls les alliages Fe-80% Ni qui présentent une induction à saturation Js de 0,75 T environ et les alliages nanocristallins dits « à cycle couché ou coupé » dont Js est de 1,26 T environ présentent une telle basse magnétostriction. Mais les alliages Fe-80%Ni ont une induction de travail Bt trop faible pour procurer des transformateurs plus légers que les transformateurs traditionnels. Seuls les nanocristallins permettraient cet allègement avec le faible bruit demandé.Only a material with zero magnetostriction would, at first sight, make it possible to solve the problem, and on the condition of having a work induction greater than that of current solutions. Only the Fe-80% Ni alloys which have an induction at saturation Js of about 0.75 T and the so-called “coated or cut cycle” nanocrystalline alloys whose Js is about 1.26 T have such a low magnetostriction. But Fe-80%Ni alloys have too low a work induction B t to provide lighter transformers than traditional transformers. Only nanocrystalline would allow this lightening with the low noise required.

On rappelle qu'un matériau à cycle d'hystérésis couché ou coupé est un matériau dont le cycle d'hystérésis B = f(H) est tel que sa pente est relativement faible, jusqu'à, éventuellement, recouper l'axe des abscisses H.It is recalled that a material with a lying or cut hysteresis cycle is a material whose hysteresis cycle B = f(H) is such that its slope is relatively low, up to, possibly, intersecting the abscissa axis H.

Mais ces nanocristallins posent un problème majeur dans le cas d'une solution « transformateur embarqué ». Leur épaisseur est d'environ 20 µm et ils sont enroulés en tore à l'état souple amorphe autour d'un support rigide, afin que la forme du tore soit conservée pendant tout le traitement thermique aboutissant à la nanocristallisation. Et ce support ne peut être enlevé après le traitement thermique, toujours pour que la forme du tore puisse être conservée, et aussi parce que le tore est ensuite souvent coupé en deux pour permettre une meilleure compacité du transformateur en utilisant la technologie du circuit enroulé précédemment décrite. Seules des résines d'imprégnation du tore enroulé peuvent le maintenir dans la même forme en l'absence du support qui est retiré après polymérisation de la résine. Mais après une découpe en C du tore nanocristallin imprégné et durci, on constate une déformation du C qui empêche les deux parties d'être remises exactement face à face pour reconstituer le tore fermé, une fois les bobinages insérés. Les contraintes de fixation des C au sein du transformateur peuvent aussi conduire à leur déformation. Il est donc préférable de conserver le support, ce qui alourdit le transformateur.But these nanocrystallines pose a major problem in the case of an “on-board transformer” solution. Their thickness is about 20 µm and they are wound in a torus in the flexible amorphous state around a rigid support, so that the shape of the torus is retained throughout the heat treatment leading to nanocrystallization. And this support cannot be removed after the heat treatment, always so that the shape of the toroid can be preserved, and also because the toroid is then often cut in two to allow a better compactness of the transformer by using the technology of the circuit wound previously described. Only resins for impregnating the wound torus can maintain it in the same shape in the absence of the support which is removed after polymerization of the resin. But after a C cutout of the impregnated and hardened nanocrystalline torus, a deformation of the C is observed which prevents the two parts from being placed exactly face to face to reconstitute the closed torus, once the windings have been inserted. The fixing constraints of the Cs within the transformer can also lead to their deformation. It is therefore preferable to keep the support, which weighs down the transformer.

JP H03-268311 décrit un noyau de transformateur enroulé à faible bruit, formé de la superposition de deux matériaux en bandes :

  • A l'intérieur, un enroulement de Fe-Si G.O. ;
  • A l'extérieur un enroulement d'un matériau à plus faible magnétostriction que le Fe-Si G.O et qui ne représente que au plus 50% de la section du noyau et peut être un alliage Fe-Si 6,5%.
JP H03-268311 describes a low-noise wound transformer core formed by the superposition of two strip materials:
  • Inside, a winding of Fe-Si GO;
  • On the outside, a winding of a material with lower magnetostriction than Fe-Si GO and which represents only at most 50% of the section of the core and can be a 6.5% Fe-Si alloy.

Dans ce document, il apparaît que les deux matériaux peuvent avoir des magnétostrictions et des pertes magnétiques relativement peu différentes. Les aimantations à saturation respectives des matériaux ne sont pas considérées, non plus que l'influence de la construction du noyau sur l'effet d'inrush.In this document, it appears that the two materials can have relatively little different magnetostrictions and magnetic losses. The respective saturation magnetizations of the materials are not considered, nor the influence of the construction of the core on the inrush effect.

JP H08-250337 décrit un noyau enroulé en acier au Si (par exemple à 6,5% de Si) à faible bruit, fragile, dont on veut éviter la fissuration sous l'effet des vibrations et des contraintes thermiques. A cet effet, ce noyau est entouré sur ses deux périphéries internes et externes par des feuilles d'acier au Si à plus basse magnétostriction que celles de la partie centrale du noyau, contenant 3% de Si, à grains orientés(voir § 9°. Elles représentent 4-20% de la masse totale du noyau. Le noyau présente donc trois enroulements superposés. Les magnétostrictions respectives des différents matériaux ne sont pas précisées de façon quantitative, de même que le détail de leurs propriétés magnétiques respectives. Une influence de la construction du naoyau sur l'effet d'inrush n'est pas évoquée. JP H08-250337 describes a coiled core of Si steel (for example 6.5% Si) with low noise, fragile, the cracking of which is to be avoided under the effect of vibrations and thermal stresses. To this end, this core is surrounded on its two internal and external peripheries by sheets of Si steel with lower magnetostriction than those of the central part of the core, containing 3% of Si, grain oriented (see § 9° They represent 4-20% of the total mass of the core.The core therefore has three superimposed windings.The respective magnetostrictions of the different materials are not specified quantitatively, nor are the details of their respective magnetic properties.An influence of the construction of the nucleus on the inrush effect is not mentioned.

DE-A-1 813 643 décrit une bobine d'antiparasitage à faible bruit comportant un noyau fermé bicouche, en particulier pour l'antiparasitage de circuits à semi-conducteurs, pour lesquelles les propriétés exigées ne sont pas les mêmes que celles des noyaux de transformateurs aéronautiques, en particulier sur les pertes magnétiques qui, dans les noyaux de bobines d'antiparasitage, doivent être élevées pour aboutir à la création de courants induits. Un matériau à faible magnétostriction est effectivement requis dans les noyaux de DE-A-1 813 643 , mais il doit être placé à l'intérieur du noyau. DE-A-1 813 643 discloses a low-noise suppression coil having a bilayer closed core, in particular for the suppression of semiconductor circuits, for which the properties required are not the same as those of the cores of aeronautical transformers, in particular on magnetic losses which, in the cores of interference suppression coils, must be high to result in the creation of induced currents. A low magnetostriction material is effectively required in the cores of DE-A-1 813 643 , but it must be placed inside the kernel.

US-A-5 160 379 décrit un alliage magnétique doux applicable notamment à des transformateurs, comportant majoritairement du Fe, pouvant renfermer Ni ou Co, renfermant Cu, Si et/ou B, et au moins un métal choisi parmi Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo, et une taille de cristaux de moins de 1000 Å. US-A-5,160,379 describes a soft magnetic alloy applicable in particular to transformers, mainly comprising Fe, which may contain Ni or Co, containing Cu, Si and/or B, and at least one metal chosen from Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo, and a crystal size of less than 1000 Å.

JP H03-271 346 décrit un alliage magnétique doux relativement comparable à ceux du document précédent, mais contenant obligatoirement Nb, W, Ta ou Mo. JP H03-271 346 describes a soft magnetic alloy relatively comparable to those of the previous document, but necessarily containing Nb, W, Ta or Mo.

JP S55-88313 décrit un noyau de transformateur triphasé de type Evans équipé localement d'entretoises pour rigidifier son assemblage, et ainsi diminuer le bruit causé par ses oscillations. Il relève, pour l'essentiel, de la conception classique de noyau de transformateur triphasé que l'invention vise à améliorer, JP S55-88313 describes a three-phase Evans-type transformer core fitted locally with spacers to stiffen its assembly, and thus reduce the noise caused by its oscillations. It relates, essentially, to the classic three-phase transformer core design that the invention aims to improve,

EP-A-1 742 232 montre des noyaux de transformateurs triphasés constitués de deux modules élémentaires et d'un enroulement supplémentaire les entourant. Ces noyaux sont composés de tôles magnétiques de différentes caractéristiques, disposées de façon à obtenir une répartition du flux magnétique uniforme à l'intérieur du noyau. Cela permet de réduire les pertes à vide (iron loss) du transformateur. Les problèmes de la réduction du bruit de magnétostriction et de l'effet d'inrush ne sont pas évoqués, ainsi que des moyens qui permettraient de les obtenir. EP-A-1 742 232 shows three-phase transformer cores consisting of two elementary modules and an additional winding surrounding them. These cores are composed of magnetic laminations of different characteristics, arranged in such a way as to obtain a uniform distribution of the magnetic flux inside the core. This makes it possible to reduce the no-load losses (iron loss) of the transformer. The problems of magnetostriction noise reduction and the inrush effect are not mentioned, as well as the means which would make it possible to obtain them.

JP H4 074403 décrit un transformateur de petite taille et de poids réduit, de type « transformateur cuirassé », comportant deux noyaux qui s'interpénètrent et dont l'un est constitué d'un matériau à « basse magnétostriction » tel que du Fe-Si 6,5%. JP H4 074403 describes a transformer of small size and reduced weight, of the "armored transformer" type, comprising two cores which interpenetrate and one of which is made of a "low magnetostriction" material such as Fe-Si 6.5 %.

WO-A-2011/107387 (D9) décrit des noyaux de transformateurs non immergés, en matériau amorphe, pourvus sur leur surface d'un revêtement qui les encapsule et les protège de leur environnement (humidité, oxydation). Ce revêtement est au moins une bande enroulée présentant des interruptions. WO-A-2011/107387 (D9) describes non-immersed transformer cores, in amorphous material, provided on their surface with a coating which encapsulates them and protects them from their environment (humidity, oxidation). This coating is at least one wound strip having interruptions.

Le but de l'invention est de proposer une conception de transformateur électrique basse fréquence, adapté à être utilisé dans des aéronefs, et permettant de résoudre au mieux les problèmes techniques dont on vient de parler, et au moindre coût.The object of the invention is to propose a design of low-frequency electrical transformer, suitable for use in aircraft, and making it possible to best solve the technical problems just mentioned, and at the lowest cost.

A cet effet, l'invention a pour objet un module élémentaire de noyau magnétique de transformateur électrique selon la revendication 1.To this end, the subject of the invention is an elementary magnetic core module of an electric transformer according to claim 1.

Le module élémentaire comprend de préférence une ou plusieurs des caractéristiques des revendications 2 à 5.The elementary module preferably comprises one or more of the characteristics of claims 2 to 5.

L'invention a également pour objet un noyau magnétique de transformateur électrique monophasé selon la revendication 6.The invention also relates to a magnetic core of a single-phase electric transformer according to claim 6.

L'invention a également pour objet un transformateur électrique monophasé selon la revendication 7.The invention also relates to a single-phase electrical transformer according to claim 7.

L'invention a également pour objet un noyau magnétique de transformateur électrique triphasé selon la revendication 8.The invention also relates to a magnetic core of a three-phase electric transformer according to claim 8.

Le noyau magnétique comprend de préférence une ou plusieurs des caractéristiques des revendications 9 à 15.The magnetic core preferably includes one or more of the features of claims 9 to 15.

L'invention a également pour objet un transformateur électrique triphasé selon la revendication 16.The invention also relates to a three-phase electrical transformer according to claim 16.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un noyau de transformateur électrique monophasé selon la revendication 17.The invention also relates to a method of manufacturing a single-phase electric transformer core according to claim 17.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un noyau de transformateur électrique triphasé selon la revendication 18.The invention also relates to a method of manufacturing a three-phase electrical transformer core according to claim 18.

Le procédé comprend de préférence une ou plusieurs des caractéristiques des revendications 19 à 23.The method preferably includes one or more of the features of claims 19 to 23.

Les inventeurs ont eu la surprise de constater que, dans l'optique de transformer l'énergie électrique à des fréquences de l'ordre de quelques centaines de Hz, voire quelques kHz, par exemple dans des transformateurs aéronautiques, où il est demandé aussi bien une forte densité de puissance volumique et/ou massique, un faible à très faible bruit émis, de faibles pertes magnétiques en ondes sinusoïdales issues du noyau magnétique (inférieures à 20 W/kg à 400Hz, de préférence inférieures à 15 W/kg et de préférence inférieures à 10 W/kg, pour une induction maximale de 1 T) et par effet Joule (issues des conducteurs) et un amortissement suffisant de l'effet d'inrush (courant d'appel à l'amorçage d'un transformateur), la configuration en noyau magnétique enroulé « composite », c'est à dire constituée d'un noyau magnétique enroulé utilisant au moins deux matériaux de natures clairement différentes par la composition ou les propriétés et telles que l'un au moins de ces matériaux soit à la fois majoritaire en volume et présente une faible magnétostriction apparente à saturation (typiquement λsat ≤ 5ppm, de préférence ≤ 3 ppm, et mieux ≤ 1ppm) avec de faibles pertes magnétiques à 40Hz et qu'un autre au moins de ces matériaux présente une aimantation à saturation élevée, typiquement Js ≥ 1,5 T, de préférence ≥ 2,0 T, et mieux ≥ 2,2 T), présente les avantages suivants (notamment en référence à la solution actuelle la plus performante et utilisant 100% de matériau nanocristallin):

  • une bonne tenue mécanique de l'ensemble du noyau composite, sous l'effet des contraintes d'enroulage, des contraintes thermiques lors des recuits, des contraintes de maintien lors de la découpe en C du noyau (qui n'est qu'optionnelle mais est préférée), des contraintes de maintien lors des opérations de surfaçage des zones coupées, des contraintes de maintien des C en position stable sous entrefer réglé ;
  • une réduction significative du nombre d'opérations de fabrication et du coût global de fabrication, notamment par la moindre consommation de matériau nanocristallin (toutes choses étant égales par ailleurs), et par l'utilisation du support d'enroulage de l'invention non seulement comme support mécanique, mais aussi comme amortisseur d'effet d'inrush et comme transformateur d'énergie en régime permanent de transformation, en complément du circuit nanocristallin ;
  • une densité de puissance volumique et/ou massique équivalente, voire légèrement meilleure, vis à vis de la solution utilisant 100% de nanocristallin, et très supérieure aux autres solutions mono-matériau encore très utilisées à base de FeCo ou FeSi enroulée, et où le bruit suffisamment faible émis est obtenu en dégradant l'induction de travail, et donc en alourdissant nécessairement le transformateur.
The inventors were surprised to find that, with a view to transforming electrical energy at frequencies of the order of a few hundred Hz, or even a few kHz, for example in aeronautical transformers, where it is required both a high volumic and/or mass power density, low to very low noise emitted, low magnetic losses in sinusoidal waves coming from the magnetic core (less than 20 W/kg at 400Hz, preferably less than 15 W/kg and preferably less than 10 W/kg, for a maximum induction of 1 T) and by Joule effect (from the conductors) and sufficient damping of the inrush effect (inrush current when a transformer is started) , the "composite" wound magnetic core configuration, that is to say made up of a wound magnetic core using at least two materials of clearly different natures in terms of composition or properties and such that at least one of these materials is at a time s majority in volume and has a low apparent magnetostriction at saturation (typically λ sat ≤ 5ppm, preferably ≤ 3 ppm, and better still ≤ 1ppm) with low magnetic losses at 40Hz and that at least one other of these materials has a magnetization at high saturation, typically Js ≥ 1.5 T, preferably ≥ 2.0 T, and better still ≥ 2.2 T), has the following advantages (particularly with reference to the most efficient current solution and using 100% material nanocrystalline):
  • good mechanical strength of the entire composite core, under the effect of winding stresses, thermal stresses during annealing, holding stresses during C-cutting of the core (which is only optional but is preferred), holding constraints during surfacing operations of the cut zones, holding constraints of the Cs in a stable position under a regulated air gap;
  • a significant reduction in the number of manufacturing operations and in the overall manufacturing cost, in particular by the lower consumption of nanocrystalline material (all other things being equal), and by the use of the winding support of the invention not only as a mechanical support, but also as an inrush effect damper and as an energy transformer in steady state transformation, in addition to the nanocrystalline circuit;
  • an equivalent volume and/or mass power density, or even slightly better, with respect to the solution using 100% nanocrystalline, and much higher than the other mono-material solutions still widely used based on wound FeCo or FeSi, and where the sufficiently low noise emitted is obtained by degrading the working induction, and therefore by necessarily making the transformer heavier.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux figures annexées suivantes :

  • la figure 1 qui montre schématiquement un exemple de noyau de transformateur triphasé selon l'invention, avec les bobinages du transformateur ;
  • la figure 2 qui montre schématiquement un exemple de sous-noyau du transformateur triphasé de la figure 1, qui peut aussi être utilisé pour constituer un noyau de transformateur monophasé ;
  • la figure 3 qui montre les relations entre bruit, indice d'inrush et masse du noyau dans les exemples de référence et les exemples selon l'invention présentés dans la description.
The invention will be better understood on reading the following description, with reference to the following appended figures:
  • the figure 1 which schematically shows an example of a three-phase transformer core according to the invention, with the windings of the transformer;
  • the picture 2 which schematically shows an example of the sub-core of the three-phase transformer of the figure 1 , which can also be used to form a single-phase transformer core;
  • the figure 3 which shows the relationships between noise, inrush index and mass of the core in the reference examples and the examples according to the invention presented in the description.

On a dit que l'un des principaux problèmes posés par les transformateurs habituels utilisés dans les aéronefs est constitué par leur niveau sonore qui gêne les conversations entre les membres d'équipage.It has been said that one of the main problems with the usual transformers used in aircraft is their noise level which interferes with conversations between crew members.

Le bruit des transformateurs provient de deux origines : les forces magnétiques et la magnétostriction des matériaux magnétiques utilisés dans les noyaux de ces transformateurs.Transformer noise comes from two sources: magnetic forces and magnetostriction from the magnetic materials used in the cores of these transformers.

Le bruit issu des forces magnétiques peut être réduit assez aisément dans un circuit magnétique fermé à très faibles entrefers répartis, par des systèmes mécaniques adaptés de maintien des différents éléments en matériaux électromagnétiques (conducteurs et tôles magnétiques).The noise resulting from the magnetic forces can be reduced quite easily in a closed magnetic circuit with very low distributed air gaps, by mechanical systems suitable for holding the various elements made of electromagnetic materials (conductors and magnetic sheets).

En revanche le bruit d'origine magnétostrictive se fonde sur les caractéristiques de magnétostriction très souvent non nulles et anisotropes du cristal ferromagnétique, et aussi sur le flux magnétique qui change souvent de direction dans ces cristaux. De façon logique, pour réduire, voire annuler, ce type de bruit il faut :

  • soit choisir un matériau à caractéristiques de magnétostriction faibles ou nulle (exemple : l'alliage FeNi80 dit « Mumétal ») ;
  • soit disposer d'un matériau magnétique et d'une structure de transformateur pour lesquels le flux magnétique ne se propagera que suivant la même direction cristallographique.
On the other hand, the noise of magnetostrictive origin is based on the very often non-zero and anisotropic magnetostriction characteristics of the ferromagnetic crystal, and also on the magnetic flux which often changes direction in these crystals. Logically, to reduce or even eliminate this type of noise, you must:
  • either choose a material with low or zero magnetostriction characteristics (example: the FeNi80 alloy called “Mumetal”);
  • or have a magnetic material and a transformer structure for which the magnetic flux will only propagate along the same crystallographic direction.

Les phénomènes magnétostrictifs doivent être considérés avec plusieurs grandeurs de déformation (λ100, λ111, λsat) ou énergétiques.Magnetostrictive phenomena must be considered with several magnitudes of deformation (λ 100 , λ 111 , λ sat ) or energy.

Les constantes de magnétostriction λ100 et λ111 représentent l'amplitude du couplage entre aimantation locale et déformation du réseau selon les axes cristallographiques <100>, respectivement <111>. Ce couplage est donc également anisotrope vis à vis du repère cristallographique, si bien que pour une aimantation supposée uniforme du métal (et, donc, de direction donnée dans le repère de l'échantillon, et donc aussi de direction spécifique dans chacun des cristaux considérés), chaque cristal tendrait à se déformer différemment de son voisin (les orientations cristallographiques étant forcément différentes), mais en sera empêché par la cohésion mécanique intergranulaire. Les contraintes élastiques qui en résultent, que l'on peut représenter de façon simplifiée par une grandeur σi, engendrent une énergie magnétoélastique, d'ordre de grandeur (3/2)λσi qui désaimante partiellement le matériau (dans cette expression, λ représente de façon approchée une magnétostriction moyenne du même ordre de grandeur que les constantes λ100 et λ111). Sauf dans certains cas (par exemple une traction exercée sur les alliages FeSi-G.O.) l'application d'une contrainte externe dégrade aussi les performances : c'est l'effet inverse de la magnétostriction. Ces constantes de magnétostriction λ100 et λ111 dépendent très principalement de la composition, et aussi de la fraction cristallisée dans le cas d'un matériau nanocristallin, et elles sont connues pour un certain nombre de matériaux.The magnetostriction constants λ 100 and λ 111 represent the amplitude of the coupling between local magnetization and lattice deformation along the crystallographic axes <100>, respectively <111>. This coupling is therefore also anisotropic with respect to the crystallographic reference, so that for a supposedly uniform magnetization of the metal (and, therefore, of direction given in the reference of the sample, and therefore also of specific direction in each of the crystals considered ), each crystal would tend to deform differently from its neighbor (the crystallographic orientations being necessarily different), but will be prevented from doing so by intergranular mechanical cohesion. The resulting elastic stresses, which can be represented in a simplified way by a quantity σ i , generate a magnetoelastic energy, of order of magnitude (3/2)λσ i which partially demagnetizes the material (in this expression, λ approximately represents an average magnetostriction of the same order of magnitude as the constants λ 100 and λ 111 ). Except in certain cases (for example traction exerted on FeSi-GO alloys) the application of an external stress also degrades performance: this is the opposite effect of magnetostriction. These magnetostriction constants λ 100 and λ 111 very mainly depend on the composition, and also on the crystallized fraction in the case of a nanocrystalline material, and they are known for a certain number of materials.

λsat est la magnétostriction apparente à saturation. Les grandeurs λ100 et λ111 se rapportent aux déformations de magnétostriction suivant les axes <100> et <111> d'un monocristal libre de se déformer. Le comportement d'un matériau industriel (donc généralement polycristallin) introduit la contrainte élastique interne σi du fait des orientations cristallographiques différentes en présence, ce qui revient à gêner la déformation de chacun des cristaux. Il en résulte une magnétostriction globale, appelée « magnétostriction apparente » du matériau, mesurée depuis l'état désaimanté, et n'ayant pas de relation explicite rigoureuse avec les constantes λ100 et λ111, autre que le même ordre de grandeur. Cette magnétostriction apparente λsat est déterminée après saturation, et représente donc l'amplitude maximale de déformation du matériau lorsqu'il est aimanté, relativement à son état de départ « désaimanté » ou non, qui est dans tous les cas un état de déformation initial inconnu. λsat est donc une variation d'état de déformation entre deux états mal identifiés. λsat est ainsi une valeur d'usage qui intervient au premier ordre dans la vibration des tôles magnétiques, le bruit émis ou la compatibilité de déformation entre le matériau magnétique et son voisinage immédiat (par exemple l'emballage d'un noyau magnétique de composant passif, de capteur de champ, de transformateur de signaux...).λ sat is the apparent saturation magnetostriction. The quantities λ 100 and λ 111 relate to the magnetostriction deformations along the <100> and <111> axes of a monocrystal free to deform. The behavior of an industrial material (therefore generally polycrystalline) introduces the internal elastic stress σ i due to the different crystallographic orientations present, which amounts to hindering the deformation of each of the crystals. This results in an overall magnetostriction, called "apparent magnetostriction" of the material, measured from the demagnetized state, and having no rigorous explicit relationship with the constants λ 100 and λ 111 , other than the same order of magnitude. This apparent magnetostriction λ sat is determined after saturation, and therefore represents the maximum amplitude of deformation of the material when it is magnetized, relative to its starting state "demagnetized" or not, which is in all cases an initial state of deformation unknown. λ sat is therefore a variation in the state of deformation between two poorly identified states. λ sat is thus a use value which intervenes in the first order in the vibration of the magnetic laminations, the noise emitted or the compatibility of deformation between the magnetic material and its immediate vicinity (for example the packaging of a magnetic component core passive, field sensor, signal transformer, etc.).

Dans un matériau sans texture prononcée (on verra ci-après l'effet d'une texture) et ayant des coefficients de magnétostriction très différents de 0, tel qu'un acier électrique Fe3% Si-N.O. qui est dépourvu de texture ou ne possède qu'une texture peu prononcée, alors selon les phases d'excitation du matériau dans le transformateur, l'aimantation magnétique alternera périodiquement en tout point du matériau entre sa direction de facile aimantation (pas ou peu de champ d'excitation) et une direction locale plus ou moins proche de la Direction de Laminage DL. Cette alternance, qui est différente d'un grain à un autre dans le métal, associée à des coefficients de magnétostriction λ100 et λ111 différents, engendre des déformations cycliques du métal, qui sont à l'origine du bruit acoustique émis par ces vibrations.In a material without pronounced texture (the effect of a texture will be seen below) and having magnetostriction coefficients very different from 0, such as an Fe3% Si-NO electrical steel which is devoid of texture or does not have a little pronounced texture, then according to the excitation phases of the material in the transformer, the magnetic magnetization will alternate periodically at any point of the material between its direction of easy magnetization (no or little excitation field) and a direction local more or less close to the Direction de Laminage DL. This alternation, which is different from one grain to another in the metal, associated with different magnetostriction coefficients λ 100 and λ 111 , generates cyclic deformations of the metal, which are at the origin of the acoustic noise emitted by these vibrations. .

Concernant les faibles pertes magnétiques à moyenne fréquence, il faut savoir que deux grandeurs influent sur le choix du matériau le plus adapté :

  • l'induction accessible B(Hm) qui est située vers 90% de la saturation afin d'utiliser au maximum le matériau tout en limitant les A.tr magnétisants et les harmoniques générées par la non linéarité B-H ;
  • et les pertes magnétiques.
Concerning the low magnetic losses at medium frequency, it should be noted that two quantities influence the choice of the most suitable material:
  • the accessible induction B(Hm) which is located around 90% of the saturation in order to make maximum use of the material while limiting the magnetizing A.tr and the harmonics generated by the non-linearity BH;
  • and magnetic losses.

En aéronautique, le réseau de bord a été longtemps à fréquence fixe de 400 Hz, mais on utilise de plus en plus la fréquence variable (typiquement 300 Hz à quelques kHz) fournie directement par les génératrices. Dans ces relativement basses « moyennes fréquences », il est intéressant de disposer d'un matériau à induction élevée et à pertes faibles (le dimensionnement thermique conditionne aussi le volume et la masse du transformateur), tels que des alliages Fe-Co minces, des aciers électriques Fe-Si minces G.O. ou N.O. des amorphes à saturation élevée, éventuellement Fe-6.5%Si. Ce domaine de fréquence correspond à des épaisseurs de peau inférieures au 1/10 mm, ce qui est tout à fait compatible avec la nécessité d'épaisseurs de ce type dans le cas d'une technologie de noyau magnétique de type enroulé selon l'invention. Au-dessus de 0,1 mm, on peine de plus en plus à enrouler le métal sous forme torique.In aeronautics, the on-board network was for a long time at a fixed frequency of 400 Hz, but the variable frequency (typically 300 Hz to a few kHz) supplied directly by the generators is increasingly being used. In these relatively low "medium frequencies", it is advantageous to have a material with high induction and low losses (the thermal dimensioning also conditions the volume and mass of the transformer), such as thin Fe-Co alloys, thin Fe-Si electrical steels GO or NO high saturation amorphous, possibly Fe-6.5%Si. This domain frequency corresponds to skin thicknesses of less than 1/10 mm, which is completely compatible with the need for thicknesses of this type in the case of a wound-type magnetic core technology according to the invention. Above 0.1 mm, it is more and more difficult to roll the metal in toroidal form.

Aussi, si on ne considère que les pertes magnétiques de matériau à Js élevé afin de réduire la masse et le volume du noyau magnétique, le choix des principaux matériaux accessibles connus correspond au tableau 1 ci-dessous. Les matériaux à haute Js sont utilisés dans l'invention pour fonctionner très principalement en régime transitoire afin d'amortir l'effet d'inrush. En conséquence ce sont principalement les matériaux à basse magnétostriction, assurant l'essentiel du fonctionnement en régime permanent du transformateur, qui émettront les pertes magnétiques.Also, if only the magnetic losses of material at high Js are considered in order to reduce the mass and the volume of the magnetic core, the choice of the main known accessible materials corresponds to table 1 below. High Js materials are used in the invention to operate very mainly in transient state in order to dampen the inrush effect. Consequently, it is mainly the materials with low magnetostriction, ensuring the main part of the steady-state operation of the transformer, which will emit the magnetic losses.

Du fait du confinement thermique des noyaux de transformateurs, les pertes magnétiques doivent rester faibles ainsi que les pertes par effet Joule des conducteurs, afin de conserver une température ambiante du transformateur interne inférieure à 150°C, dans un régime de refroidissement sans convection forcée. Typiquement, il est habituel de considérer que les pertes magnétiques d'un noyau de transformateur embarqué ne doivent pas excéder 20 W/kg de matériau magnétique installé, de préférence moins de 15 W/kg, et mieux moins de 10 W/kg, pour une induction maximale de 1 T sous champ sinusoïdal à une fréquence de 400 Hz (cela correspond à 2 T/400 Hz à respectivement moins de 80 W/kg, et de préférence moins de 60 W/kg et, mieux, moins de 40 W/kg). Cette condition doit être remplie par les matériaux de tous les enroulements du noyau du transformateur.Due to the thermal confinement of the transformer cores, the magnetic losses must remain low as well as the losses by Joule effect of the conductors, in order to maintain an ambient temperature of the internal transformer below 150°C, in a cooling regime without forced convection. Typically, it is usual to consider that the magnetic losses of an on-board transformer core should not exceed 20 W/kg of installed magnetic material, preferably less than 15 W/kg, and better still less than 10 W/kg, for a maximum induction of 1 T under a sinusoidal field at a frequency of 400 Hz (this corresponds to 2 T/400 Hz at respectively less than 80 W/kg, and preferably less than 60 W/kg and, better still, less than 40 W /kg). This condition must be met by the materials of all the transformer core windings.

On voit dans le tableau 1 ci-dessous que les matériaux amorphes ou nanocristallins respectent les limitations les plus dures sur les pertes magnétiques (< 5 W/kg).It can be seen in Table 1 below that amorphous or nanocrystalline materials comply with the strictest limitations on magnetic losses (<5 W/kg).

Le matériau nanocristallin FeCuNbSiB donné en exemple dans les différents tableaux a la composition type Fe73,5Cu1Si15B7,5Nb3. Tableau 1: Caractéristiques techniques de différents matériaux magnétiques pour transformateurs embarqués Matériau Epaisseur (mm) ρel (µΩ.cm) ρvol (kg/m3) Pertes magnétiques à 1T (en W/kg) Bt (T) Hm (Bt) (en A/m) 400Hz 1kHz 5kHz 400Hz 1kHz FeSi-N.O. 0.1 48 7650 11 33 350 1,8 5000 5500 FeSi-G.O. 0.05 48 7650 8 22 200 1,8 80 90 Fe-50%Co 0.1 45 8200 7,5 23 250 2,1 500 550 Amorphe 2605SC 0.025 125 7320 1,6 6 65 1,5 40 64 Amorphe 2605CO 0.025 130 7560 4,5 18 210 1,6 40 60 Fe-6,5/Si 0,1 75 7400 6 17 180 1,2 60 60 Fe-50%Ni (Supra 50) 0.05 48 8200 3 10 150 1,5 56 70 Nanocristallin FeCuNbSiB 0,02 115 7300 0,3 1 30 1,1 8 8,5 avec ρel : résistivité électrique à 20°C et ρvol : masse volumique à 20°C The nanocrystalline material FeCuNbSiB given as an example in the various tables has the typical composition Fe 73.5 Cu 1 Si 15 B 7.5 Nb 3 . Table 1: Technical characteristics of different magnetic materials for embedded transformers Material Thickness (mm) ρel (µΩ.cm) ρ vol (kg/m 3 ) Magnetic losses at 1T (in W/kg) B t (T) Hm (B t ) (in A/m) 400Hz 1kHz 5kHz 400Hz 1kHz FeSi-NO 0.1 48 7650 11 33 350 1.8 5000 5500 FeSi-GO 0.05 48 7650 8 22 200 1.8 80 90 Fe-50%Co 0.1 45 8200 7.5 23 250 2.1 500 550 Amorphous 2605SC 0.025 125 7320 1.6 6 65 1.5 40 64 Amorphous 2605CO 0.025 130 7560 4.5 18 210 1.6 40 60 Fe-6.5/Si 0.1 75 7400 6 17 180 1.2 60 60 Fe-50%Ni (Supra 50) 0.05 48 8200 3 10 150 1.5 56 70 Nanocrystalline FeCuNbSiB 0.02 115 7300 0.3 1 30 1.1 8 8.5 with ρ el : electrical resistivity at 20°C and ρ vol : density at 20°C

L'induction de travail Bt sert à dimensionner les circuits magnétiques (FeSi, FeCo) lorsque la fréquence n'excède pas 1 kHz, car les pertes magnétiques restent modestes, donc faciles à évacuer. Au-delà de 1 kHz, les pertes obligent à utiliser un système de refroidissement plus important ou à imposer une baisse de Bt (du fait que les pertes sont liées au carré de Bt) : les amorphes base fer apparaissent alors comme une alternative intéressante (Bt plus faible mais pertes beaucoup plus faibles) : en effet l'aimantation à saturation Js plus faible des amorphes n'est alors plus un inconvénient, tandis que leurs faibles pertes magnétiques représentent un avantage fort.The work induction B t is used to dimension the magnetic circuits (FeSi, FeCo) when the frequency does not exceed 1 kHz, because the magnetic losses remain modest, therefore easy to evacuate. Beyond 1 kHz, the losses make it necessary to use a larger cooling system or to impose a reduction in B t (due to the fact that the losses are linked to the square of B t ): the iron-based amorphous then appear as an alternative interesting (lower B t but much lower losses): indeed the lower saturation magnetization Js of amorphous metals is then no longer a disadvantage, while their low magnetic losses represent a strong advantage.

La tendance dans l'aéronautique civile est de concevoir des transformateurs de bord avec un bruit acoustique émis de plus en plus en plus bas, voire très bas lorsqu'il est situé à côté du poste de pilotage et que les pilotes travaillent sans casque pour communiquer. Comme tout composant embarqué, le transformateur doit être le plus léger et le moins encombrant possible, consommer le moins de courant possible et chauffer le moins possible, et aussi pouvoir encaisser sans dommages pour son intégrité (ses isolants, ses composants électroniques) de fortes variations de charge, c'est à dire de fortes variations du courant d'appel du transformateur. Ce courant d'appel, dit « courant d'Inrush », doit être aussi faible que possible.The trend in civil aeronautics is to design on-board transformers with increasingly low acoustic noise emitted, even very low when it is located next to the cockpit and pilots work without a headset to communicate. . Like any on-board component, the transformer must be as light and as compact as possible, consume as little current as possible and heat as little as possible, and also be able to withstand strong variations without damage to its integrity (its insulators, its electronic components). load, i.e. large variations in the inrush current of the transformer. This inrush current, called “inrush current”, must be as low as possible.

Il est établi dans la littérature récente que le courant maximal d'inrush (courant transitoire magnétisant d'un transformateur) est proportionnel à (2Bt + Br - Bs) où Bt est l'induction de travail nominale (issue du dimensionnement du circuit magnétique), Br est l'induction rémanente du circuit magnétique (à savoir de l'ensemble constitué du noyau ferromagnétique et des entrefers localisés ou répartis selon la structure de construction du noyau), et Bs est l'induction à saturation du noyau.It is established in recent literature that the maximum inrush current (transient magnetizing current of a transformer) is proportional to (2B t + B r - B s ) where B t is the nominal work induction (resulting from the sizing of the magnetic circuit), B r is the remanent induction of the magnetic circuit (namely of the assembly consisting of the ferromagnetic core and the air gaps located or distributed according to the construction structure of the core), and B s is the saturation induction of the core.

Pour obtenir un faible courant maximal d'Inrush, il faut :

  • un matériau à forte aimantation à saturation (FeSi ou FeCo, de préférence à FeNi et aux nanocristallins) ;
  • un circuit magnétique à faible rémanence, ce qui peut être obtenu soit directement par le choix du matériau qui le constitue (exemple du cycle d'hystérésis couché des alliages nanocristallins), soit par un effet de construction de la culasse (entrefers répartis ou localisés, produisant suffisamment de champ démagnétisant) ;
  • une induction de travail Bt faible ; mais cela est antinomique avec la densité de puissance élevée, la miniaturisation et l'allègement des transformateurs, et ne constitue donc pas une solution satisfaisante au problème posé ;
  • une faible section de noyau magnétique ce qui conduirait à utiliser un matériau à haute saturation ;
  • une forte section d'aire des bobines.
To obtain a low maximum current of Inrush, it is necessary:
  • a material with strong saturation magnetization (FeSi or FeCo, preferably FeNi and nanocrystals);
  • a magnetic circuit with low remanence, which can be obtained either directly by the choice of the material which constitutes it (example of the hysteresis cycle coated in nanocrystalline alloys), or by a construction effect of the yoke (distributed or localized air gaps, producing sufficient demagnetizing field);
  • a low work induction B t ; but this is contradictory with the high power density, the miniaturization and the lightening of the transformers, and therefore does not constitute a satisfactory solution to the problem posed;
  • a small section of the magnetic core which would lead to the use of a material with high saturation;
  • a strong cross section of the coils.

En bref, si on ne considère que la question de l'inrush, le circuit magnétique idéal comporte un alliage à haute aimantation à saturation (FeSi, FeCo) et faible rémanence, utilisé à induction réduite : cela passe par une conception et un dimensionnement optimisés du circuit magnétique et un calibrage adéquat du ou des entrefers à partir de ces matériaux à haute aimantation à saturation Js.In short, if we only consider the question of the inrush, the ideal magnetic circuit comprises an alloy with high saturation magnetization (FeSi, FeCo) and low remanence, used at reduced induction: this requires optimized design and sizing of the magnetic circuit and an adequate calibration of the air gap(s) from these materials with high magnetization at saturation Js.

Si on cumule les contraintes de faible encombrement et faible masse, de faibles pertes magnétiques, de faible à très faible bruit acoustique et de faible effet d'inrush dans un transformateur embarqué aéronautique, il reste à recouper les solutions les plus intéressantes pour optimiser chaque grandeur contraignante vue précédemment. Le tableau 2 en fait la synthèse dans le cas d'une structure à noyau magnétique enroulé et coupé en deux éléments en forme de C, avec un entrefer faible et calibré (d'où un Br faible) et pour une même masse de noyau magnétique, dans les différents cas où un seul matériau est utilisé pour constituer le noyau. Les caractéristiques de certains matériaux sont données pour différentes valeurs de Bt et/ou Hc. Tableau 2 : Propriétés attendues des matériaux utilisables pour constituer un noyau monomatériau Matériau Epaisseur (mm) Hc (A/m) Bt (T) Densité de puissance Bruit acoustique émis Pertes magnétiques A.tr et pertes conducteurs Effet d'inrush Coût Matériau idéal excellent excellent excellent excellent excellent excellent Fe3%Si-N.O. 0,1 40-50 1,8 très bien médiocre médiocre médiocre médiocre excellent Fe3%Si-G.O. 0,1 20 1,8 très bien faible bien bien médiocre excellent Fe3%Si-G.O. 0,05 25 1,8 très bien faible très bien bien médiocre excellent Fe3%Si-G.O. 0,05 25 1 faible bien très bien Très bien bien excellent Fe3%Si-G.O. 0,05 25 0,5 mauvais Très bien excellent excellent excellent excellent Fe-50%Co 0,1 56 2,1 excellent mauvais médiocre médiocre médiocre faible Fe-50%Co 0,05 54 2,1 excellent mauvais faible médiocre médiocre faible Fe-50%Co 0,05 54 0,5 médiocre bien Très bien Très bien excellent faible Amorphe base fer 2605CO 0,025 4 1,6 très bien médiocre Très bien très bien faible faible Amorphe base fer 2605CO 0,025 4 1 faible bien excellent excellent excellent faible Fe-6,5/Si 0,1 10 1,5 très bien bien bien faible bien bien Fe-50%Ni {100}<001> 0,05 8 1,5 très bien très bien Bien bien médiocre bien Fe-50%Ni {100}<001> 0,05 8 0,7 médiocre excellent très bien très bien excellent Bien Nanocristallin FeCuNbSiB 0,02 1 1,1 bien excellent excellent excellent médiocre Bien Nanocristallin FeCuNbSiB 0,02 1 0,6 médiocre excellent excellent excellent excellent bien Amorphe base cobalt 0,025 1 0,7 médiocre excellent excellent excellent médiocre mauvais Amorphe base cobalt 0,025 1 0,3 mauvais excellent excellent excellent excellent mauvais Fe-81%Ni-5%Mo Mumétal 0,05 1 0,7 médiocre excellent très bien excellent médiocre médiocre (appréciations d'intérêt décroissant : excellent > très bien > bien > faible > médiocre > mauvais)If we combine the constraints of small size and low mass, low magnetic losses, low to very low acoustic noise and low inrush effect in an on-board aeronautical transformer, it remains to cross-check the most interesting solutions to optimize each quantity. constraining seen previously. Table 2 summarizes this in the case of a structure with a magnetic core wound and cut into two C-shaped elements, with a small and calibrated air gap (hence a low B r ) and for the same mass of core magnetic, in the various cases where a single material is used to constitute the core. The characteristics of certain materials are given for different values of B t and/or Hc. Table 2: Expected properties of materials that can be used to form a single-material core Material Thickness (mm) H c (A/m) B t (T) Power density Acoustic noise emitted Magnetic losses A.tr and conductor losses Inrush effect Cost ideal material excellent excellent excellent excellent excellent excellent Fe3%Si-NO 0.1 40-50 1.8 very good poor poor poor poor excellent Fe3%Si-GO 0.1 20 1.8 very good weak good good poor excellent Fe3%Si-GO 0.05 25 1.8 very good weak very good good poor excellent Fe3%Si-GO 0.05 25 1 weak good very good Very well good excellent Fe3%Si-GO 0.05 25 0.5 Wrong Very well excellent excellent excellent excellent Fe-50%Co 0.1 56 2.1 excellent Wrong poor poor poor weak Fe-50%Co 0.05 54 2.1 excellent Wrong weak poor poor weak Fe-50%Co 0.05 54 0.5 poor good Very well Very well excellent weak Amorphous base iron 2605CO 0.025 4 1.6 very good poor Very well very good weak weak Amorphous base iron 2605CO 0.025 4 1 weak good excellent excellent excellent weak Fe-6.5/Si 0.1 10 1.5 very good good good weak good good Fe-50%Ni {100}<001> 0.05 8 1.5 very good very good Good good poor good Fe-50%Ni {100}<001> 0.05 8 0.7 poor excellent very good very good excellent Good Nanocrystalline FeCuNbSiB 0.02 1 1.1 good excellent excellent excellent poor Good Nanocrystalline FeCuNbSiB 0.02 1 0.6 poor excellent excellent excellent excellent good Cobalt-based amorphous 0.025 1 0.7 poor excellent excellent excellent poor Wrong Cobalt-based amorphous 0.025 1 0.3 Wrong excellent excellent excellent excellent Wrong Fe-81%Ni-5%Mo Mumetal 0.05 1 0.7 poor excellent very good excellent poor poor (ratings of decreasing interest: excellent > very good > good > weak > mediocre > bad)

Il apparaît qu'avec de telles solutions monomatériau ainsi connues de l'art antérieur, les types de choix sont les trois suivants :

  • soit on se met dans des conditions de matériau à faibles pertes magnétiques associées à de faibles épaisseurs et de faibles inductions (Fe-3% Si-G.O. à Bt de 0,5 T, Fe-50% Co à Bt de 0,5 T, Fe-50% Ni {100}<001> à Bt de 0,7 T, nanocristallin Fe73,5Cu1Si15B7,5Nb3 (les chiffres en indice correspondant à des pourcentages atomiques comme il est d'usage dans la définition de tels matériaux) à Bt de 0,6 T, amorphe base cobalt à Bt de 0,3 T), et alors on atteint de bonnes à très bonnes performances en pertes dissipées, bruit acoustique émis, A.tr, pertes conducteurs et effet d'inrush, mais on dégrade alors fortement la densité de puissance ;
  • soit on se place à induction élevée (1,5 à 2 T) dans différents matériaux et on atteint de bonnes à très bonnes densités de puissance, mais alors l'effet d'inrush et le bruit acoustique sont notablement accrus, et en tout cas bien au-delà de ce qui est maintenant accepté ;
  • soit on utilise un matériau nanocristallin du type précisé, ceux-ci se distinguant par une induction de travail d'environ 1 T et permettant de satisfaire de façon au moins acceptable tous les besoins fondamentaux avec un inrush acceptable, un bruit faible, des pertes magnétiques faibles, des A.tr (et donc des pertes conducteurs) faibles, mais avec une densité de puissance moyenne.
It appears that with such single-material solutions thus known from the prior art, the types of choice are the following three:
  • either we put ourselves in material conditions with low magnetic losses associated with low thicknesses and low inductions (Fe-3% Si-GO at B t of 0.5 T, Fe-50% Co at B t of 0, 5 T, Fe-50% Ni {100}<001> to B t of 0.7 T, nanocrystalline Fe 73.5 Cu 1 Si 15 B 7 .5 Nb 3 (the subscript figures correspond to atomic percentages as it is customary in the definition of such materials) at B t of 0.6 T, amorphous cobalt base at B t of 0.3 T), and then good to very good performance in terms of dissipated losses, acoustic noise emitted , A.tr, conductor losses and inrush effect, but the power density is then greatly degraded;
  • either we place ourselves at high induction (1.5 to 2 T) in different materials and we reach good to very good power densities, but then the inrush effect and the acoustic noise are significantly increased, and in any case far beyond what is now accepted;
  • either a nanocrystalline material of the specified type is used, these being distinguished by a work induction of approximately 1 T and making it possible to satisfy in an at least acceptable manner all the fundamental needs with an acceptable inrush, low noise, low magnetic losses, low A.tr (and therefore conductor losses), but with an average power density.

En tore enroulé, les nanocristallins connus pour cet usage constituent donc la meilleure solution de compromis. Mais pour la rendre encore plus intéressante, il faudrait trouver un moyen de se passer de la conservation du support d'enroulage pour diminuer la masse totale. Egalement un compromis encore meilleur entre la masse et les différentes valeurs d'usage demandées à un transformateur embarqué aéronautique à culasse magnétique à noyau enroulé, soumis à une moyenne fréquence de quelques centaines de Hz à quelques kHz, qu'il soit monophasé ou triphasé, serait désirable.As a wound torus, the nanocrystalline crystals known for this use therefore constitute the best compromise solution. But to make it even more interesting, it would be necessary to find a way to do without the conservation of the winding support to reduce the total mass. Also an even better compromise between the mass and the different usage values required of an aeronautical on-board transformer with a magnetic yoke with a wound core, subjected to a medium frequency of a few hundred Hz to a few kHz, whether single-phase or three-phase, would be desirable.

Cet objectif peut être atteint par la solution générale suivante selon l'invention, développée ici dans le cas le plus contraignant d'un transformateur triphasé, illustré sur la figure 1. Cette figure n'est qu'un schéma de principe, et ne représente pas les pièces de support mécanique et d'assemblage permettant le maintien des différentes parties fonctionnelles. Mais l'homme du métier pourra facilement concevoir ces pièces en les adaptant à l'environnement précis dans lequel le transformateur selon l'invention est destiné à être placé.This objective can be achieved by the following general solution according to the invention, developed here in the most restrictive case of a three-phase transformer, illustrated in the figure 1 . This figure is only a block diagram, and does not represent the mechanical support and assembly parts allowing the maintenance of the various functional parts. However, those skilled in the art can easily design these parts by adapting them to the precise environment in which the transformer according to the invention is intended to be placed.

Le module élémentaire de l'invention est un noyau magnétique, de type enroulé connu en soi, mais réalisé par l'association de deux matériaux magnétiques doux différents, en proportions différentes. L'un, majoritaire en section transversale (autrement dit en volume puisque tous les éléments du module ont la même profondeur), se distingue par une faible magnétostriction, l'autre, minoritaire en section transversale, se distingue par une forte aimantation à saturation Js et sert de support mécanique au premier matériau, de limiteur d'inrush, et a une participation mineure mais non négligeable dans la transformation d'énergie en régime permanent. Ces matériaux peuvent éventuellement être présents avec des sections/volumes identiques, mais le matériau à haute aimantation à saturation Js ne doit pas dépasser en section/volume le matériau à faible magnétostriction.The elementary module of the invention is a magnetic core, of the wound type known per se, but made by combining two different soft magnetic materials, in different proportions. One, majority in cross section (in other words in volume since all the elements of the module have the same depth), is distinguished by a weak magnetostriction, the other, minority in cross section, is distinguished by a strong magnetization at saturation Js and serves as a mechanical support for the first material, as an inrush limiter, and has a minor but not insignificant participation in the transformation of energy in steady state. These materials may optionally be present with identical sections/volumes, but the material with high saturation magnetization Js must not exceed in section/volume the material with low magnetostriction.

Les inventeurs ont eu, en effet, la surprise de constater que dans une telle configuration, les noyaux nanocristallins (matériaux à basse magnétostriction) enroulés autour du premier noyau enroulé et préalablement fabriqué en matériau cristallin à haute aimantation à saturation (Fe, Fe-Si, Fe-Co...) non seulement étaient bien tenus mécaniquement puisque le support est ici conservé (non seulement en tant que pièce mécaniquement utile, mais surtout en tant que pièce essentielle au fonctionnement électromagnétique du transformateur), mais que la densité de puissance obtenue restait au même niveau que celle d'un noyau nanocristallin sans support. Bien entendu, on n'a pas, ici, les inconvénients qui seraient liés à une absence de support, à savoir l'instabilité géométrique du noyau nanocristallin, et les possibles altérations du fonctionnement du transformateur qui en découleraient. Si on choisit bien le matériau du noyau cristallin, on obtient, en plus de la fonction de support du noyau nanocristallin, des avantages importants sur le fonctionnement global du transformateur. Ces avantages sont une limitation de l'effet d'inrush lors du régime transitoire et, en régime permanent, une bonne transformation de l'énergie sous une moyenne fréquence alternative, de sorte que la densité de puissance du transformateur n'est pas dégradée par rapport à ce qu'elle serait avec une solution « matériau nanocristallin seul » en admettant que l'on parvienne, dans ce dernier cas, à conserver une bonne stabilité géométrique sous contrainte des deux demi-noyaux en C.The inventors were, in fact, surprised to find that in such a configuration, the nanocrystalline cores (materials with low magnetostriction) wound around the first core wound and previously manufactured in crystalline material with high saturation magnetization (Fe, Fe-Si , Fe-Co...) not only were well held mechanically since the support is preserved here (not only as a mechanically useful part, but above all as an essential part for the electromagnetic operation of the transformer), but that the power density obtained remained at the same level as that of an unsupported nanocrystalline core. Of course, we don't have not, here, the disadvantages which would be linked to an absence of support, namely the geometric instability of the nanocrystalline core, and the possible alterations in the operation of the transformer which would result therefrom. If the material of the crystalline core is well chosen, in addition to the support function of the nanocrystalline core, significant advantages are obtained on the overall operation of the transformer. These advantages are a limitation of the inrush effect during the transient state and, in steady state, a good transformation of the energy under an alternating medium frequency, so that the power density of the transformer is not degraded by compared to what it would be with a “nanocrystalline material alone” solution assuming that, in the latter case, it is possible to maintain good geometric stability under stress of the two C half-cores.

On va à présent décrire, dans l'ordre de fabrication d'un noyau magnétique triphasé selon l'invention (association de trois modules élémentaires), les différents constituants possibles et les caractéristiques d'une structure de transformateur selon l'invention résultant de cette fabrication. Cette structure est illustrée schématiquement sur la figure 1.We will now describe, in the order of manufacture of a three-phase magnetic core according to the invention (association of three elementary modules), the various possible constituents and the characteristics of a transformer structure according to the invention resulting from this manufacturing. This structure is schematically illustrated in the figure 1 .

On commence par fabriquer une structure composite enroulée de sous-noyau magnétique interne, ce sous-noyau étant composé de deux modules élémentaires accolés. Le terme « structure composite » signifie que la structure utilise plusieurs matériaux magnétiques de natures différentes. Elle est constituée comme suit, et assemblée dans l'ordre qui va être exposé.We begin by manufacturing a composite wound structure of an internal magnetic sub-core, this sub-core being composed of two elementary modules placed side by side. The term “composite structure” means that the structure uses several magnetic materials of different natures. It is constituted as follows, and assembled in the order which will be exposed.

La structure comporte d'abord un enroulement 1, 2 de deux sous-noyaux magnétiques réalisés chacun à partir d'une bande de matériau constitué d'un matériau à haute aimantation à saturation Js et faibles pertes, tels que les alliages Fe-3% Si à grains orientés, les alliages Fe-6,5% Si, les alliages Fe-15 à 55% au total de Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mo, Ni, Mn, W texturés ou non, le fer doux et les aciers et alliages ferreux constitués d'au moins 90% de Fe et présentant un champ coercitif Hc inférieur à 500A/m, les inox ferritiques Fe-Cr contenant 5 à 22% de Cr, 0 à 10% au total de Mo, Mn, Nb, Si, Al, V et plus de 60% de Fe, les aciers électriques Fe-Si-Al non orientés, les alliages Fe-Ni contenant 40 à 60% de Ni avec au plus 5% d'additions totales d'autres éléments, les amorphes magnétiques base Fe contenant 5 à 25% au total de B, C, Si, P et plus de 60% de Fe, 0 à 20% au total de Ni et Co et 0 à 10% d'autres éléments.The structure first comprises a winding 1, 2 of two magnetic sub-cores each made from a strip of material consisting of a material with high magnetization at saturation Js and low losses, such as Fe-3% alloys Grain-oriented Si, Fe-6.5% Si alloys, Fe-15 alloys with a total of 55% Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mo, Ni, Mn, W textured or not, the soft iron and ferrous steels and alloys consisting of at least 90% Fe and having a coercive field Hc of less than 500A/m, ferritic Fe-Cr stainless steels containing 5 to 22% of Cr, 0 to 10% in total of Mo, Mn, Nb, Si, Al, V and more than 60% Fe, non-oriented Fe-Si-Al electrical steels, Fe-Ni alloys containing 40-60% Ni with not more than 5% additions total amounts of other elements, Fe-based magnetic amorphs containing 5-25% total B, C, Si, P and more than 60% Fe, 0-20% total Ni and Co and 0-10% d other elements.

Ces deux enroulements 1, 2 constituent chacun le support (intérieur) d'enroulement d'un des deux sous-noyaux magnétiques internes du transformateur. De préférence, cet enroulement est auto-supporté après extraction hors de l'enrouleuse, mais il peut être lui-même enroulé sur un support plus rigide aussi léger que possible pour ne pas trop alourdir le transformateur, ce support étant en tout type de matériau, magnétique ou non.These two windings 1, 2 each constitute the (inner) winding support of one of the two internal magnetic sub-cores of the transformer. Preferably, this winding is self-supporting after extraction from the winding machine, but it can itself be wound on a more rigid support that is as light as possible so as not to weigh down the transformer too much, this support being made of any type of material, magnetic or not.

La fonction de ces enroulements 1, 2 du sous-noyau magnétique intérieur est de stabiliser dimensionnellement le circuit magnétique final en C, et aussi d'encaisser les A.tr très importants et les transitoires qui interviennent lors de la mise sous tension, lors du raccordement du transformateur au réseau, lors de l'appel brutal de puissance d'une charge... et qui occasionnent un courant d'appel important dans le transformateur (effet d'inrush). Cette sous-partie 1, 2 en matériau à haute Js, dans un transformateur dimensionné pour une induction de travail des nanocristallins beaucoup plus basse (un peu en dessous du Js d'un matériau à basse magnétostriction, soit ≤ 1,2 T) sera alors aimantée à saturation pendant la durée d'inrush (qui varie de quelques secondes à 1 à 2 min.) depuis Bt. Cela permet de stocker beaucoup d'énergie d'aimantation sous cette forme dans ces matériaux à haute Js, et empêche que cette énergie se reporte sur une hypersaturation de la section de matériau à basse magnétostriction et bas Js, qui entraineraient des champs d'excitations et des courants d'appel énormes.The function of these windings 1, 2 of the inner magnetic sub-core is to dimensionally stabilize the final magnetic circuit in C, and also to absorb the very high A.trs and the transients which occur during power-up, during connection of the transformer to the network, during the sudden inrush of power from a load... and which cause a high inrush current in the transformer (inrush effect). This sub-part 1, 2 in high Js material, in a transformer sized for a much lower nanocrystalline work induction (slightly below the Js of a low magnetostriction material, i.e. ≤ 1.2 T) will be then magnetized to saturation for the duration of the inrush (which varies from a few seconds to 1 to 2 min.) from B t . This makes it possible to store a lot of magnetization energy in this form in these high Js materials, and prevents this energy from being transferred to a hypersaturation of the section of material with low magnetostriction and low Js, which would cause excitation fields and huge inrush currents.

Les matériaux à haute Js sont souhaitables, car si l'exigence était seulement d'encaisser les A.tr transitoires par un stockage d'énergie important, il suffirait d'avoir une perméabilité minimale µr d'au moins 10 à 100 dans la période de champ H transitoire durant le phénomène d'inrush, qui deviendra vite supérieure à la perméabilité sous champ d'inrush des matériaux à haute perméabilité, basse magnétostriction et bas Js, en tombant de valeurs très élevées (µr > 100 000) à une valeur proche de l'unité en zone B-H d'hypersaturation.Materials with high Js are desirable, because if the requirement were only to withstand the transient A.tr by a large energy storage, it would be enough to have a minimum permeability µ r of at least 10 to 100 in the transient field period H during the inrush phenomenon, which will quickly become greater than the permeability under the inrush field of materials with high permeability, low magnetostriction and low Js, falling from very high values (µ r > 100,000) to a value close to unity in the hypersaturation BH zone.

Cependant, l'exigence n'est pas seulement de supporter les A.tr transitoires pour ces matériaux à haute Js, mais aussi de ne pas blinder les matériaux internes de la culasse magnétique de transformateur en régime permanent. En effet, pour des fréquences variables allant de 300 Hz à 1 kHz (voire davantage) qui se rencontrent de plus en plus sur les réseaux de bord aéronautiques, l'épaisseur de peau est de 0,05 à 0,2 mm (selon le matériau, la fréquence et la perméabilité du milieu). Donc, un enroulement de matériau à haute Js ayant une épaisseur insuffisamment faible par rapport à l'épaisseur de peau blinderait le champ extérieur issu des bobinages, et cela d'autant plus qu'il y aurait un grand nombre de spires de métal à haute Js dans l'enroulement. Il faut donc préférentiellement utiliser un matériau à haute Js de faible épaisseur (0,05 à 0,1mm).However, the requirement is not only to withstand the transient A.tr for these high Js materials, but also not to shield the internal materials of the transformer magnetic yoke in steady state. Indeed, for variable frequencies ranging from 300 Hz to 1 kHz (or even more) which are increasingly found on aeronautical on-board networks, the skin thickness is 0.05 to 0.2 mm (depending on the material, frequency and permeability of the medium). Therefore, a winding of material with high Js having an insufficiently low thickness compared to the thickness of the skin would shield the external field coming from the windings, and this all the more so as there would be a large number of turns of metal with high Js in the winding. It is therefore preferable to use a material with high Js of low thickness (0.05 to 0.1 mm).

De plus, on veut rester avec un très faible bruit acoustique durant le fonctionnement du transformateur en régime permanent, malgré la présence d'une partie de la culasse magnétique en matériau à haute Js et à magnétostriction allant de « moyenne » à « forte ». Il faut donc que ces derniers matériaux ne soient magnétiquement pas actifs en régime permanent du transformateur, ou du moins qu'ils fonctionnent à un point de fonctionnement en induction suffisamment bas pour que le bruit acoustique émis soit très faible. Il faut pour cela que la perméabilité des matériaux à basse magnétostriction soit beaucoup plus élevée (de 1 à 2 ordres de grandeur) à 300 Hz-1 kHz que la perméabilité des matériaux à haute Js. Cela est atteint en utilisant des nanocristallins ou des amorphes base cobalt d'une part (µr à 1kHz > 50 000 - 100 000) et des alliages FeSi ou FeCo de faible épaisseur (µr à 1 kHz < 3000), ou aussi des alliages Fe-80% Ni en réduisant suffisamment leur épaisseur (≤ 0,07mm) d'autre part.In addition, we want to remain with a very low acoustic noise during the operation of the transformer in steady state, despite the presence of a part of the magnetic yoke in material with high Js and magnetostriction ranging from “medium” to “strong”. It is therefore necessary that these latter materials are not magnetically active in the steady state of the transformer, or at least that they operate at a sufficiently low induction operating point for the acoustic noise emitted to be very low. This requires that the permeability of materials with low magnetostriction is much higher (by 1 to 2 orders of magnitude) at 300 Hz-1 kHz than the permeability of materials with high Js. This is achieved by using nanocrystalline or cobalt-based amorphous on the one hand (µ r at 1 kHz > 50,000 - 100,000) and thin FeSi or FeCo alloys (µ r at 1 kHz < 3000), or also Fe-80% Ni alloys by sufficiently reducing their thickness (≤ 0.07mm) on the other hand.

Les matériaux à haute Js peuvent être, par exemple, tous les alliages Fe-3% Si à texture {110}<001> dite de Goss, connus dans les «aciers électriques» sous les dénominations des deux sous familles :

  • FeSi-G.O. pour Grain Oriented (grains orientés) ;
  • et FeSi-HiB pour High Induction (induction élevée), dont les textures sont les plus resserrées et les performances de µr et de pertes sont les meilleures.
High Js materials can be, for example, all Fe-3% Si alloys with a {110}<001> so-called Goss texture, known in “electrical steels” under the names of the two sub-families:
  • FeSi-GO for Grain Oriented;
  • and FeSi-HiB for High Induction, which has the tightest textures and the best µ r and loss performance.

Ces performances sont obtenues uniquement dans la direction de laminage des matériaux, ce qui convient très bien aux noyaux magnétiques enroulés, alors que lorsqu'on s'écarte de cette direction, les performances décroissent très vite.These performances are obtained only in the rolling direction of the materials, which is very suitable for wound magnetic cores, whereas when one deviates from this direction, the performances decrease very quickly.

On peut utiliser aussi notamment l'alliage Fe-49% Co-2% V-0 à 0,1% Nb, le V pouvant être remplacé partiellement ou totalement par du Ta et/ou du Zr. Les performances, contrairement aux FeSi précédents, ne sont pas liées à la texture mais à la composition et au traitement thermique d'optimisation, et leurs performances sont approximativement isotropes dans le plan de la tôle. Les performances sont en grande partie conservées lorsque l'épaisseur de bande est abaissée vers 0,05-0,1 mmIt is also possible to use in particular the Fe-49% Co-2% V-0 alloy with 0.1% Nb, the V possibly being replaced partially or totally by Ta and/or Zr. The performance, unlike previous FeSi, is not related to texture but to composition and optimization heat treatment, and its performance is approximately isotropic in the plane of the sheet. Performance is largely retained when strip thickness is lowered towards 0.05-0.1mm

On peut utiliser aussi notamment un alliage Fe-10 à 30% Co peu texturé ou avec une texture de Goss comme les Fe-3% Si précédents. Dans le cas d'une texture de Goss, qui permet d'accroitre la perméabilité et de réduire les pertes magnétiques (mais ce n'est pas particulièrement requis pour la partie de culasse magnétique à haute Js fonctionnant principalement transitoirement ou à très basse induction permanente), les matériaux suivants peuvent, en particulier, être utilisés :

  • Fe-10 à 30% Co, de préférence 14 à 27% Co, de préférence 15 à 20% Co, contenant aussi :
    • 0 à 2% (Si, Al, Cr, V), de préférence 0 à 1% (Si, Al, Cr, V) ;
    • 0 à 0.5% Mn, de préférence 0 à 0.3% Mn.
    • 0 à 300 ppm C, de préférence 0 à 100 ppm C ;
    • 0 à 300 ppm de chacun de S, O, N, B, P, de préférence 0 à 200 ppm de chacun de S, O, N, P, B ;
  • Le reste est du Fe, accompagné par des impuretés résultant de l'élaboration. On peut mettre en forme et traiter ces matériaux par :
    • laminage à chaud se terminant en phase ferritique, de préférence à une température de moins de 900°C ;
    • puis deux séquences de laminage à froid : la première passe avec un taux de réduction de 50 à 80%, la seconde passe avec un taux de réduction de 60 à 80%
    • recuit en phase ferritique après laminage à chaud, et diminution rapide de température après recuit (> 200°C/h entre Ac1 et 300°C)
    • recuit intermédiaire (entre les deux séquences de laminage à froid) en phase ferritique, avec une montée lente en température (< 200°C/h entre 300°C et Ac1).
It is also possible to use in particular an Fe-10 alloy at 30% Co with little texture or with a Goss texture like the previous Fe-3% Si. In the case of a Goss texture, which makes it possible to increase the permeability and to reduce the magnetic losses (but this is not particularly required for the part of the magnetic yoke with high Js operating mainly transiently or at very low permanent induction ), the following materials may, in particular, be used:
  • Fe-10 to 30% Co, preferably 14 to 27% Co, preferably 15 to 20% Co, also containing:
    • 0 to 2% (Si, Al, Cr, V), preferably 0 to 1% (Si, Al, Cr, V);
    • 0 to 0.5% Mn, preferably 0 to 0.3% Mn.
    • 0 to 300 ppm C, preferably 0 to 100 ppm C;
    • 0 to 300 ppm each of S, O, N, B, P, preferably 0 to 200 ppm each of S, O, N, P, B;
  • The remainder is Fe, accompanied by impurities resulting from processing. These materials can be shaped and treated by:
    • hot rolling ending in the ferritic phase, preferably at a temperature of less than 900°C;
    • then two cold rolling sequences: the first pass with a reduction rate of 50 to 80%, the second pass with a reduction rate of 60 to 80%
    • annealing in the ferritic phase after hot rolling, and rapid temperature drop after annealing (> 200°C/h between Ac1 and 300°C)
    • intermediate annealing (between the two cold rolling sequences) in the ferritic phase, with a slow rise in temperature (< 200°C/h between 300°C and Ac1).

Les différents matériaux ferreux à haute Js, décrits précédemment, sont illustrés par des exemples dans le tableau 3 suivant. Lorsqu'une teneur en un des éléments cités n'est pas précisée, cela veut dire que cet élément n'est présent qu'à l'état de traces, ou à une teneur relativement basse qui le rend sans influence très significative sur le Js du matériau. On n'a pas précisé les teneurs possibles des éléments autres que Co, Si, Cr et V présents dans les alliages, car ces éléments n'influent que peu sur les propriétés magnétiques visées.The various ferrous materials with high Js, described previously, are illustrated by examples in the following table 3. When a content of one of the elements mentioned is not specified, this means that this element is present only in trace amounts, or at a relatively low content which makes it without a very significant influence on the Js of the material. The possible contents of the elements other than Co, Si, Cr and V present in the alloys have not been specified, because these elements have little influence on the targeted magnetic properties.

On cite ici l'induction à 800 A/m (B800), car dans ce type de matériau à haute Js, l'application d'un champ de 800 A/m permet d'atteindre une induction B située vers le coude de la courbe B = f(H). Or, c'est autour du coude de la courbe B = f(H) que l'on atteint le meilleur compromis entre réduction de volume (B élevé) et faible consommation du transformateur (faible A.tr). Le B8000 (induction à 8000 A/m) rend compte, au contraire, de l'induction d'approche à saturation, mise à profit non seulement dans le potentiel de densité de puissance (Bt < B8000) mais aussi dans la réduction de l'effet d'inrush. Tableau 3 : exemples de matériaux à haute Js utilisables dans l'invention En %poids En ppm Alliage Co Si Cr V C Mn Al O N S B800 (T) B8000 (T) 1 15 0,02 0,05 < 0,005 0,017 0,25 0,01 70 22 8 2,08 2,24 2 15 1,0 0,03 0,1 0,016 0,27 0,02 48 17 11 1,95 2,18 3 18 0,05 0,04 < 0,005 0,017 0,32 0,02 56 31 7 2,12 2,30 4 18 1,0 0,007 < 0,005 0,017 0,29 < 0,01 62 25 < 5 2,00 2,23 5 10 0,03 0,05 < 0,005 0,019 0,33 < 0,01 47 22 < 5 2,01 2,12 6 27 0,03 0,5 < 0,005 0,015 0,30 0,01 82 28 6 2,03 2,28 7 48 0,008 0,07 2,0 0,019 0,28 0,02 63 19 9 2,10 2,35 8 0 3,0 0,007 < 0,005 0,017 0,27 0,01 51 18 < 5 1,90 2,00 We cite here the induction at 800 A/m (B800), because in this type of material with high Js, the application of a field of 800 A/m makes it possible to reach an induction B located towards the elbow of the curve B = f(H). However, it is around the elbow of the curve B = f(H) that the best compromise is reached between volume reduction (high B) and low transformer consumption (low A.tr). The B8000 (induction at 8000 A/m) accounts, on the contrary, for the approach induction to saturation, used not only in the power density potential (B t < B8000) but also in the reduction of the inrush effect. Table 3: examples of materials with high Js that can be used in the invention In weight In ppm Alloy Co Whether CR V VS min Al O NOT S B800(T) B8000(T) 1 15 0.02 0.05 < 0.005 0.017 0.25 0.01 70 22 8 2.08 2.24 2 15 1.0 0.03 0.1 0.016 0.27 0.02 48 17 11 1.95 2.18 3 18 0.05 0.04 < 0.005 0.017 0.32 0.02 56 31 7 2.12 2.30 4 18 1.0 0.007 < 0.005 0.017 0.29 < 0.01 62 25 < 5 2.00 2.23 5 10 0.03 0.05 < 0.005 0.019 0.33 < 0.01 47 22 < 5 2.01 2.12 6 27 0.03 0.5 < 0.005 0.015 0.30 0.01 82 28 6 2.03 2.28 7 48 0.008 0.07 2.0 0.019 0.28 0.02 63 19 9 2.10 2.35 8 0 3.0 0.007 < 0.005 0.017 0.27 0.01 51 18 < 5 1.90 2.00

La structure comporte ensuite deux enroulements supplémentaires 3, 4. Ils sont, chacun, superposés à l'un des enroulements 1, 2 de matériau à haute Js précédemment décrits, « superposé » signifiant que l'enroulement supplémentaire 3, 4 est disposé autour de l'enroulement 1, 2 correspondant de matériau à haute Js qui a été préalablement réalisé. Ces enroulements supplémentaires 3, 4 sont réalisés avec une bande d'un matériau présentant à la fois de faibles pertes magnétiques et une faible magnétostriction, tel que des alliages polycristallins Fe-75 à 82% Ni-2 à 8% (Mo, Cu, Cr, V), des alliages amorphes base cobalt, et, très préférentiellement, des alliages nanocristallins FeCuNbSiB et similaires.The structure then comprises two additional windings 3, 4. They are each superimposed on one of the windings 1, 2 of high Js material previously described, "superposed" meaning that the additional winding 3, 4 is arranged around the corresponding winding 1, 2 of high Js material which was previously produced. These additional windings 3, 4 are made with a strip of a material having both low magnetic losses and low magnetostriction, such as polycrystalline alloys Fe-75 at 82% Ni-2 at 8% (Mo, Cu, Cr, V), cobalt-based amorphous alloys, and, very preferably, FeCuNbSiB and similar nanocrystalline alloys.

Un matériau polycristallin à environ 80% de Ni particulièrement recommandé est connu aussi sous le nom de Mumétal. Il atteint une très basse magnétostriction pour une composition 81% Ni, 6% Mo, 0,2 à 0,7% Mn, 0,05 à 0,4 %Si, le reste étant du fer, et pour un traitement thermique approprié d'optimisation des performances magnétiques, bien connu de l'homme de l'art.A particularly recommended polycrystalline material with about 80% Ni is also known as Mumetal. It achieves very low magnetostriction for a composition of 81% Ni, 6% Mo, 0.2 to 0.7% Mn, 0.05 to 0.4% Si, the remainder being iron, and for appropriate heat treatment d optimization of magnetic performance, well known to those skilled in the art.

Un matériau nanocristallin particulièrement recommandé, connu de l'homme de l'art depuis les années 1990, est réputé pour ses pertes magnétiques très faibles depuis les basses fréquences jusqu'à 50-100kHz et pour sa capacité à régler sa magnétostriction, via les compositions adéquates et les traitements thermiques adéquats, à une valeur nulle ou très proche de 0. Sa composition est donnée par la formule (les chiffres en indice correspondant à des pourcentages atomiques comme il est d'usage dans la définition de tels matériaux) :

        [Fe1-aNia]100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzNbαM'βM'γ

avec a ≤ 0,3 ; 0,3 ≤ x ≤ 3 ; 3 ≤ y ≤ 17, 5 ≤ z ≤ 20, 0 ≤ α ≤ 6, 0 ≤ β ≤ 7, 0 ≤ γ ≤ 8, M' étant l'un au moins des éléments V, Cr, Al et Zn, M" étant l'un au moins des éléments C, Ge, P, Ga, Sb, In et Be, ayant une perméabilité relative µr comprise entre 30 000 et 2 000 000, une saturation de plus de 1 T, et même 1,25 T quand la composition est optimisée pour atteindre une magnétostriction nulle.
A particularly recommended nanocrystalline material, known to those skilled in the art since the 1990s, is renowned for its very low magnetic losses from low frequencies down to 50-100kHz and for its ability to tune its magnetostriction, via the compositions adequate and adequate heat treatments, to a value of zero or very close to 0. Its composition is given by the formula (the subscript figures corresponding to atomic percentages as is customary in the definition of such materials):

[Fe 1-a Ni a ] 100-xyz-α-β-γ Cu x Si y B z Nb α M' β M' γ

with a ≤ 0.3; 0.3 ≤ x ≤ 3; 3 ≤ y ≤ 17, 5 ≤ z ≤ 20, 0 ≤ α ≤ 6, 0 ≤ β ≤ 7, 0 ≤ γ ≤ 8, M' being at least one of the elements V, Cr, Al and Zn, M" being at least one of the elements C, Ge, P, Ga, Sb, In and Be, having a relative permeability µ r of between 30,000 and 2,000,000, a saturation of more than 1 T, and even 1.25 T when the composition is optimized to achieve zero magnetostriction.

Lors du recuit, le matériau nanocristallin se contracte d'environ 1% à partir de son état initial de bande amorphe. Ce phénomène doit donc être pris en compte par anticipation dans l'enroulage de la bande amorphe autour de la première partie 1, 2 de sous-noyau intérieur en matériau à haute Js, avant le recuit de nanocristallisation. Sinon la rétraction de 1% sur la première partie de noyau peut entraîner de très fortes contraintes internes sur les deux matériaux du noyau, ce qui rend l'ensemble fragile au point de risquer la rupture et augmente les pertes magnétiques. A l'inverse cette rétraction favorise la solidarisation mécanique des deux types de matériaux, et donc favorise, si elle n'est pas excessive, une meilleure stabilité dimensionnelle des parties en C après imprégnation et découpe.Upon annealing, the nanocrystalline material shrinks approximately 1% from its initial amorphous band state. This phenomenon must therefore be taken into account in advance in the winding of the amorphous strip around the first part 1, 2 of the inner sub-core made of high Js material, before the nanocrystallization annealing. Otherwise the 1% shrinkage on the first part of the core can lead to very strong internal stresses on the two materials of the core, which makes the whole fragile to the point of risking breakage and increases the magnetic losses. Conversely, this retraction promotes the mechanical joining of the two types of materials, and therefore promotes, if it is not excessive, a better dimensional stability of the C-shaped parts after impregnation and cutting.

Chacun de ces enroulements bi-matériau (1, 3 ; 2, 4) constitue un sous-noyau magnétique interne (dit « module élémentaire »), définissant un espace 5, 6 dans lequel seront insérés deux des bobinages primaires 7, 8, 9 des trois phases du transformateur et deux des bobinages secondaires 10, 11, 12 des trois phases du transformateur.Each of these bi-material windings (1, 3; 2, 4) constitutes an internal magnetic sub-core (called “elementary module”), defining a space 5, 6 in which two of the primary windings 7, 8, 9 will be inserted. of the three phases of the transformer and two of the secondary windings 10, 11, 12 of the three phases of the transformer.

A noter que si le transformateur est monophasé, un seul de ces modules élémentaires constitue à lui seul le noyau magnétique du transformateur.It should be noted that if the transformer is single-phase, only one of these elementary modules alone constitutes the magnetic core of the transformer.

La structure comporte ensuite un enroulement 13, qui est disposé autour de l'ensemble formé par lesdits deux sous-noyaux magnétiques internes accolés étroitement suivant un de leur côtés. L'enroulement 13 est formé à partir d'une bande de matériau à faibles pertes magnétiques et faible magnétostriction, tel que des alliages Fe-75 à 82% Ni - 2 à 8% (Mo,Cu,Cr,V), des alliages amorphes base cobalt, et très préférentiellement des alliages nanocristallins FeCuNbSiB et apparentés tels que définis plus haut. Cet enroulement 13 constitue une partie du sous-noyau magnétique externe.The structure then comprises a winding 13, which is disposed around the assembly formed by said two internal magnetic sub-cores closely joined along one of their sides. The winding 13 is formed from a strip of material with low magnetic losses and low magnetostriction, such as Fe-75 alloys at 82% Ni - 2 at 8% (Mo, Cu, Cr, V), alloys cobalt-based amorphous alloys, and very preferably nanocrystalline FeCuNbSiB and related alloys as defined above. This winding 13 forms part of the external magnetic sub-core.

Jusqu'à cette étape incluse, il est préférable de ne maintenir tous les matériaux solidaires les uns des autres que par des pièces métalliques ajoutées, pouvant résister mécaniquement à des recuits à 600°C. C'est en effet la température maximale de nanocristallisation qu'il faudra appliquer, de préférence à la fin de cette étape, à l'ensemble du noyau de transformateur en constitution, lorsque les matériaux des enroulements 3, 4, 13 le nécessitent. Si des résines ou des colles sont utilisées auparavant pour immobiliser les bandes magnétiques enroulées les unes par rapport aux autres, alors elles seront vraisemblablement dégradées lors du recuit de nanocristallisation. Leur utilisation doit donc préférentiellement être reportée jusqu'à une étape postérieure au recuit de nanocristallisation.Up to and including this stage, it is preferable to only hold all the materials together by means of added metal parts that can mechanically withstand annealing at 600°C. It is in fact the maximum nanocrystallization temperature that will have to be applied, preferably at the end of this step, to the whole of the transformer core in constitution, when the materials of the windings 3, 4, 13 so require. If resins or glues are used before to immobilize the magnetic tapes wound relative to each other, then they will probably be degraded during the nanocrystallization annealing. Their use must therefore preferably be postponed until a step subsequent to the nanocrystallization annealing.

Pour des raisons de conservation du flux magnétique, il est préférable d'enrouler dans cette étape une section de matériau 13, notée S13, à peu près identique à chacune des sections S3 ou S4 qui ont été enroulées en matériau à basse magnétostriction dans les sous-noyaux internes. Il est aussi préférable de réduire au maximum les zones de vide situées entre les trois enroulements de matériau à basse magnétostriction. On prendra comme rapports S3/S13 ou S4/S13 conseillés une valeur de 0,8 à 1,2 pour compenser les différences de périmètre d'enroulage et les différences éventuelles d'entrefer entre les différents matériaux dont on parlera plus loin.For reasons of conservation of the magnetic flux, it is preferable to wind in this step a section of material 13, denoted S 13 , more or less identical to each of the sections S 3 or S 4 which have been wound in material with low magnetostriction in the inner subnuclei. It is also preferable to minimize the void zones situated between the three windings of material with low magnetostriction. We will take as recommended ratios S 3 /S 13 or S 4 /S 13 a value of 0.8 to 1.2 to compensate for the differences in the perimeter of the winding and the possible differences in air gap between the different materials which we will talk about later. far.

La structure comporte ensuite un nouvel enroulement 14 superposé (au sens vu précédemment à propos des sous-noyaux magnétiques internes) autour de cette partie 13 à faibles pertes magnétiques et faible magnétostriction du sous-noyau magnétique externe. Ce nouvel enroulement 14, dont la section sera notée S14, est formé à partir d'une bande de matériau à haute Js et faibles pertes, tel que les alliages Fe-3% Si-G.O., Fe-6,5% Si, Fe-15 à 55% (Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W) texturés ou non, le fer doux et des aciers divers, les inox ferritiques Fe-Cr à 5 à 22% Cr, 0 à 10% au total de Mo, Mn, Nb, Si, Al, V et à plus de 60% de Fe , les aciers électriques Fe-Si-Al N.O. (non orientés), les alliages Fe-Ni proches de 50%Ni, les amorphes magnétiques base Fer. Cet enroulement 14 final achève l'apport de matériau magnétique dans ce qui constitue la culasse enroulée du transformateur.The structure then comprises a new winding 14 superimposed (in the sense seen above with regard to the internal magnetic sub-cores) around this part 13 with low magnetic losses and low magnetostriction of the external magnetic sub-core. This new winding 14, whose section will be denoted S 14 , is formed from a strip of material with high Js and low losses, such as Fe-3% Si-GO, Fe-6.5% Si, Fe-15 at 55% (Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W) textured or not, soft iron and various steels, ferritic stainless steels Fe-Cr at 5 to 22% Cr, 0-10% total Mo, Mn, Nb, Si, Al, V and more than 60% Fe, Fe-Si-Al NO (non-oriented) electrical steels, Fe-Ni alloys close to 50% Ni, iron-based magnetic amorphous. This final winding 14 completes the supply of magnetic material in what constitutes the wound yoke of the transformer.

Il est préférable d'enrouler dans cette étape une section S14 de matériau 14 à haute Js et faibles pertes pas trop différente de celles S1 ou S2, qui sont elles-mêmes proches l'une de l'autre ou identiques, et qui ont été enroulées en matériau 1, 2 à haute Js dans les sous-noyaux internes, afin d'avoir le même effet d'atténuation d'inrush dans les trois phases du transformateur. On prendra 0,3 ≤ S14/S1 ≈ S14/S2 ≤ 3 car le matériau de l'enroulement 14 à haute Js et faibles pertes a un parcours (périmètre) d'enroulage pouvant être très différent de celui des matériaux des enroulements 1 ou 2 placés au centre des sous-ensembles, et cela doit être pris en compte dans le dimensionnement du noyau composite (cela résulte de l'application du théorème d'Ampère).It is preferable to wind in this step a section S 14 of material 14 with high Js and low losses not too different from those S 1 or S 2 , which are themselves close to each other or identical, and which have been wound in 1.2 high Js material in the internal sub-cores, in order to have the same inrush attenuation effect in all three phases of the transformer. We will take 0.3 ≤ S 14 /S 1 ≈ S 14 /S 2 ≤ 3 because the material of the winding 14 with high Js and low losses has a winding path (perimeter) which can be very different from that of the materials windings 1 or 2 placed in the center of the subassemblies, and this must be taken into account in the dimensioning of the composite core (this results from the application of Ampère's theorem).

Ainsi les parties 3, 4 et 13 à faibles pertes magnétiques et faible magnétostriction auront des sections identiques, ou du même ordre de grandeur, alors que les sections de matériaux à haute Js et faibles pertes des premiers enroulements des deux sous-noyaux, 1 et 2 d'une part, et de l'enroulement final 14 d'autre part, peuvent être assez sensiblement différentes dans les limites qui sont précisées.Thus the parts 3, 4 and 13 with low magnetic losses and low magnetostriction will have identical sections, or of the same order of magnitude, whereas the sections of materials with high Js and low losses of the first windings of the two sub-cores, 1 and 2 on the one hand, and the final winding 14 on the other hand, can be quite significantly different within the limits which are specified.

Le traitement thermique de nanocristallisation des enroulements 3, 4, 13 à faibles pertes magnétiques et faible magnétostriction, s'il est nécessaire, peut être effectué à l'issue de cette étape, l'ensemble des matières métalliques ayant été assemblées. Mais du fait de la contraction du matériau 3, 4, 13 lors de la nanocristallisation, on s'expose après recuit à un décollement du deuxième enroulement 14 du sous-noyau externe par rapport au premier enroulement 13 du sous-noyau externe, rendant beaucoup plus difficile la « solidarisation» de l'ensemble avant découpe. Il est donc préférable d'appliquer ce recuit en fin de l'étape précédente, comme dit précédemment.The nanocrystallization heat treatment of the windings 3, 4, 13 with low magnetic losses and low magnetostriction, if necessary, can be carried out at At the end of this stage, all the metallic materials having been assembled. But due to the contraction of the material 3, 4, 13 during the nanocrystallization, one is exposed after annealing to a detachment of the second winding 14 of the external sub-core with respect to the first winding 13 of the external sub-core, making much more difficult the "joining together" of the assembly before cutting. It is therefore preferable to apply this annealing at the end of the previous step, as said previously.

En fin de cette étape de mise en place de l'enroulement 14 à faibles pertes magnétique et faible magnétostriction du sous-noyau externe, il est, en revanche, conseillé d'appliquer par dépôt, ou par collage préalable des bandes, ou par imprégnation sous vide (ou tout autre procédé adéquat) une résine, une colle, un polymère, ou une autre substance comparable, qui transformera l'ensemble de la culasse magnétique enroulée en un corps monobloc résistant à forte stabilité dimensionnelle sous contrainte. Un frettage peut éventuellement remplacer ce collage ou cette imprégnation, ou la précéder.At the end of this step of setting up the winding 14 with low magnetic losses and low magnetostriction of the external sub-core, it is, on the other hand, advisable to apply by deposition, or by prior bonding of the strips, or by impregnation under vacuum (or any other suitable process) a resin, an adhesive, a polymer, or another comparable substance, which will transform the whole of the magnetic yoke wound into a resistant one-piece body with high dimensional stability under stress. Hooping can possibly replace this bonding or this impregnation, or precede it.

Puis on découpe la culasse magnétique ainsi formée de façon à diviser les différents sous-noyaux en deux parties 15, 16 pour former deux «demi-circuits» élémentaires, après utilisation des différentes technologies d'immobilisation des bandes de matériau et des sous-noyaux précédemment citées. Ces deux parties 15, 16 sont destinées à être séparées par un entrefer 17 comme représenté sur la figure 1. La découpe doit se faire en maintenant solidement la culasse magnétique, dans la limite de la résistance mécanique du noyau solidifié, et par tout procédé de coupe telle que l'abrasion par fil, le tronçonnage, un jet d'eau, un laser, etc. Il est préférable de diviser la culasse en deux parties symétriques comme représenté, mais une dissymétrie ne serait pas contraire à l'invention.Then the magnetic yoke thus formed is cut so as to divide the different sub-cores into two parts 15, 16 to form two elementary "half-circuits", after using the different technologies for immobilizing the strips of material and the sub-cores previously cited. These two parts 15, 16 are intended to be separated by an air gap 17 as shown in the figure 1 . The cutting must be done by firmly holding the magnetic yoke, within the limit of the mechanical resistance of the solidified core, and by any cutting process such as wire abrasion, cutting, water jet, laser, etc. . It is preferable to divide the cylinder head into two symmetrical parts as shown, but an asymmetry would not be contrary to the invention.

Puis on réalise un façonnage et un surfaçage des futures surfaces de l'entrefer 17, puis le replacement en vis en vis des deux parties 15, 16 de la culasse magnétique découpées (pour retrouver la structure de départ) après un calage éventuel de l'entrefer 17, et après insertion des bobinages primaires 7, 8, 9 et secondaires 10, 11, 12 préréalisés du transformateur.Then, shaping and surfacing of the future surfaces of the air gap 17 are carried out, then the replacement, facing each other, of the two parts 15, 16 of the cut-out magnetic yoke (to find the starting structure) after a possible wedging of the air gap 17, and after insertion of the pre-made primary 7, 8, 9 and secondary 10, 11, 12 windings of the transformer.

L'entrefer 17 a pour fonction de désaimanter naturellement toute partie du noyau magnétique aux instants de la période électrique où l'excitation magnétique devient faible ou nulle. Ainsi, si le transformateur est initialement à l'arrêt et, donc, l'ensemble de la culasse magnétique est désaimanté par l'entrefer (Br = 0), l'effet d'inrush que l'on constate lorsque le transformateur est brutalement remis en charge sera réduit.The air gap 17 has the function of naturally demagnetizing any part of the magnetic core at the instants of the electrical period when the magnetic excitation becomes weak or zero. Thus, if the transformer is initially stopped and, therefore, the entire magnetic yoke is demagnetized by the air gap (B r = 0), the inrush effect observed when the transformer is abruptly reloaded will be reduced.

Le surfaçage ou le calibrage de l'entrefer 17 ne sont pas absolument nécessaires à l'invention, mais ils permettent un meilleur ajustement des performances du transformateur. Cela permet d'accroitre les performances d'inrush, et de rendre plus reproductibles les caractéristiques des transformateurs d'une série de production.The surfacing or the calibration of the air gap 17 are not absolutely necessary for the invention, but they allow a better adjustment of the performance of the transformer. This makes it possible to increase inrush performance, and to make the characteristics of the transformers of a production series more reproducible.

Le «replacement» ou «assemblage» des deux parties 15, 16 du circuit magnétique coupées, et éventuellement surfacées et calées, peut notamment être réalisé au moyen d'un serrage par frettage utilisant aussi un matériau à haute Js présentant des propriétés comparables à celles du matériau utilisé dans l'enroulement 14, et participant donc aussi (mais sans entrefer) à l'atténuation de l'effet d'inrush comme les autres matériaux à haute Js. Cette option est particulièrement intéressante car elle permet d'alléger encore le circuit magnétique, tout en lui donnant une forte cohésion mécanique.The "replacement" or "assembly" of the two parts 15, 16 of the cut magnetic circuit, and possibly surfaced and wedged, can in particular be carried out by means of tightening by shrinking also using a high Js material having properties comparable to those of the material used in the winding 14, and therefore also participating (but without air gap) in attenuating the inrush effect like the other high Js materials. This option is particularly interesting because it makes it possible to further lighten the magnetic circuit, while giving it strong mechanical cohesion.

La section de matériau à haute Js par rapport à la section totale, d'une part pour chaque sous-noyau pris seul, et, d'autre part, pour le noyau magnétique pris dans son ensemble, vaut de 2 à 50%, et de préférence 4 à 40%. Donc, cette section est le plus généralement minoritaire, et en tout cas pas majoritaire, dans le module élémentaire défini extérieurement par l'enroulement 14 de bande de matériau à haute Js superposé à l'enroulement 13 de bande à basse magnétostriction et dans chacun des modules élémentaires du sous-noyau interne.The section of material with high Js compared to the total section, on the one hand for each sub-core taken alone, and, on the other hand, for the magnetic core taken as a whole, is worth from 2 to 50%, and preferably 4 to 40%. Therefore, this section is most generally in the minority, and in any case not in the majority, in the elementary module defined externally by the winding 14 of strip of material with high Js superimposed on the winding 13 of strip of low magnetostriction and in each of the elementary modules of the internal sub-kernel.

Autrement dit, le rapport des sections d'enroulage entre matériaux à haute Js (S1, S2, S14) et matériaux à basse magnétostriction λ (S3, S4, S13) doit être maintenu pour chaque module élémentaire dans une plage déterminée pour que l'invention soit mise en œuvre de façon satisfaisante. La proportion de matériau à haute Js (en termes de rapports de sections), par rapport au total des sections des deux types de matériaux, doit être comprise entre 2 et 50%, et de préférence entre 4 et 40%. Cela peut se traduire par les inégalités suivantes : 2 100 . S 1 S 1 + S 3 50 , de préférence 4 100 . S 1 S 1 + S 3 40

Figure imgb0001
2 100 . S 2 S 2 + S 4 50 , de préférence 4 100 . S 2 S 2 + S 4 40
Figure imgb0002
2 100 . S 14 S 13 + S 14 50 , de préférence 4 100 . S 14 S 13 + S 14 40
Figure imgb0003
In other words, the ratio of the winding sections between materials with high Js (S 1 , S 2 , S 14 ) and materials with low magnetostriction λ (S 3 , S 4 , S 13 ) must be maintained for each elementary module in a range determined for the invention to be implemented satisfactorily. The proportion of high Js material (in terms of section ratios), relative to the total of the sections of the two types of materials, must be between 2 and 50%, and preferably between 4 and 40%. This can result in the following inequalities: 2 100 . S 1 S 1 + S 3 50 , of preference 4 100 . S 1 S 1 + S 3 40
Figure imgb0001
2 100 . S 2 S 2 + S 4 50 , of preference 4 100 . S 2 S 2 + S 4 40
Figure imgb0002
2 100 . S 14 S 13 + S 14 50 , of preference 4 100 . S 14 S 13 + S 14 40
Figure imgb0003

Et aussi 2 100 . S 3 + S 4 + S 14 S 1 + S 2 + S 13 + S 3 + S 4 + S 14 50

Figure imgb0004
, de préférence 4 100 . S 3 + S 4 + S 14 S 1 + S 2 + S 13 + S 3 + S 4 + S 14 40
Figure imgb0005
And also 2 100 . S 3 + S 4 + S 14 S 1 + S 2 + S 13 + S 3 + S 4 + S 14 50
Figure imgb0004
, preferably 4 100 . S 3 + S 4 + S 14 S 1 + S 2 + S 13 + S 3 + S 4 + S 14 40
Figure imgb0005

Pour obtenir un bon fonctionnement du transformateur, passant par un bon équilibre des masses des différents matériaux entre les différents circuits magnétiques, et pour ne pas trop l'alourdir tout en bénéficiant des avantages de l'invention que procure la présence du matériau à haute Js dans tous les sous-noyaux, il faut donc respecter la proportion en section de matériau à haute Js de 2 à 50%, mieux 2 à 40%, aussi bien pour le noyau de transformateur pris dans son ensemble, ce que traduit la dernière inégalité, que pour chacun de ses sous-ensembles (les deux sous-noyaux internes (1, 2 ; 3, 4) et le sous-noyau externe (13, 14)) pris isolément, ce que traduisent les trois premières inégalités.To obtain proper operation of the transformer, passing through a good balance of the masses of the different materials between the different magnetic circuits, and not to weigh it down too much while benefiting from the advantages of the invention provided by the presence of the material with high Js in all the sub-cores, it is therefore necessary to respect the proportion in section of material with high Js of 2 to 50%, better 2 to 40%, both for the transformer core taken as a whole, which is reflected in the last inequality , that for each of its subsets (the two internal sub-kernels (1, 2; 3, 4) and the external sub-kernel (13, 14)) taken in isolation, which is reflected in the first three inequalities.

Les différents éléments du transformateur ayant normalement tous la même profondeur p, ces rapports de sections sont équivalents à des rapports de volumes des différents matériaux.Since the different elements of the transformer normally all have the same depth p, these section ratios are equivalent to the volume ratios of the different materials.

Pour que l'invention puisse fonctionner comme requis, il faut pouvoir constituer un «mandrin» d'enroulage 1, 2 en matériau à haute Js pour le matériau à basse magnétostriction 3, 4, et donc un minimum de matériau à haute Js est nécessaire. La participation à l'amortissement de l'effet d'inrush nécessite également une section minimale de matériau à haute Js. Pour ces deux raisons, on fixe à 2%, de préférence 4%, la valeur minimale de la section de matériau à haute Js par rapport à la section totale de matériau, pour chacun des sous-noyaux et pour le noyau pris dans son ensemble.In order for the invention to function as required, it must be possible to constitute a winding "mandrel" 1, 2 of high Js material for the low magnetostriction material 3, 4, and therefore a minimum of high Js material is necessary. . Participation in the damping of the inrush effect also requires a minimum section of high Js material. For these two reasons, we set at 2%, preferably 4%, the minimum value of the section of material at high Js with respect to the total section of material, for each of the sub-cores and for the core taken as a whole. .

Si le matériau à haute Js devient majoritaire en section dans les sous-noyaux et/ou le noyau (≥ 50%), alors sa masse alourdit inutilement la structure. Comme cela a été dit, il ne participe activement de façon significative qu'à l'amortissement de l'effet d'inrush, alors qu'en régime permanent du transformateur, on veut que le matériau à haute Js ne s'aimante que faiblement pour ne pas émettre de bruit (il a inévitablement une magnétostriction apparente de moyenne à forte). Ainsi, le dimensionnement du transformateur pour atteindre la puissance désirée s'appuie essentiellement sur la matériau à basse magnétostriction λ. Si on avait moins de 50% de matériau à bas λ (50% ou davantage de matériau à haute Js), il n'y aurait essentiellement que cette section minoritaire qui participerait à la transformation électrique. En conséquence on limite le matériau à haute Js à 50% au maximum de la section totale de matériaux magnétiques présents dans les sous-noyaux et le noyau du transformateur, comme cela a été dit plus haut.If the material with high Js becomes predominant in section in the sub-cores and/or the core (≥ 50%), then its mass unnecessarily weighs down the structure. As has been said, it only actively participates significantly in damping the inrush effect, whereas in steady state of the transformer, we want the material with high Js to only magnetize weakly. so as not to emit noise (it inevitably has medium to strong apparent magnetostriction). Thus, the sizing of the transformer to achieve the desired power is essentially based on the material with low magnetostriction λ. If we had less than 50% low λ material (50% or more high Js material), essentially only this minority section would participate in the electrical transformation. Consequently, the high Js material is limited to a maximum of 50% of the total section of magnetic materials present in the sub-cores and the core of the transformer, as stated above.

Les exemples suivants, qui seront détaillés plus loin dans le tableau 4, et les commentaires s'y rapportant, illustrent bien ce point :
En prenant, par exemple, le matériau Fe49Co49V2 comme matériau à haute Js :

  • Si on utilise 100% de Fe49Co49V2 (exemples 2 à 5) pour constituer le noyau du transformateur, il faut abaisser Bt (induction de travail du transformateur en régime permanent) à moins de 0,3 T pour obtenir un bruit de 55-60 dB (alors qu'on verra qu'un bruit de 55 dB au maximum est souhaitable) ce qui correspond à une masse de plus de 18,7 kg pour pouvoir transformer la puissance électrique demandée ; dans cet exemple la densité de puissance massique du noyau de transformateur peut être évaluée à un taux de 46 kVA/18,7 kg= 2,46 kVA/kg de noyau magnétique, ce qui est une densité de puissance trop basse pour être acceptable ;
  • Dans l'exemple 21 avec 53,3% de section Fe49Co49V2 (donc 46,7% de section de matériau nanocristallin), le bruit (58 dB) est encore trop élevé pour être conforme au cahier des charges ; la masse totale est de 6,4 kg, soit 28% plus grande que celle de l'exemple 12 entièrement en nanocristallin, ce qui serait acceptable, et l'indice d'inrush est de -0,35, ce qui est bon ;
  • Les exemples 19 et 20 montrent qu'un bruit acceptable peut être obtenu avec plus de 50% de Fe49Co49V2, mais pour une masse totale trop forte, qui est de respectivement 7,4 et 7,1 kg (donc 40 à 50% plus élevée qu'avec la solution en nanocristallin seul de l'exemple 12) ;
  • A l'inverse dans les exemples 18 et 18B, à respectivement 23,6 et 39% de section de FeCo27, le bruit est un peu trop fort (56 et 58 dB) alors que les masses ont été réduites jusqu'à un niveau convenable ; ainsi, avoir moins de 50% de la section magnétique en matériau à haute Js est une condition nécessaire mais pas suffisante pour une mise en œuvre satisfaisante de l'invention ; par exemple les exemples 15 et 18C avec respectivement 23,6 et 39% de section de FeCo27 émettent un bruit suffisamment bas, pour des masses faibles de, respectivement, 5,1 et 5,8 kg, soit seulement 2 et 16% de section de plus que la solution en nanocristallin seul de l'exemple 12, mais en permettant de bénéficier de tous les avantages de l'invention.
The following examples, which will be detailed later in Table 4, and the related comments, illustrate this point well:
Taking, for example, the Fe49Co49V2 material as the high Js material:
  • If 100% Fe49Co49V2 (examples 2 to 5) is used to constitute the core of the transformer, it is necessary to lower B t (work induction of the transformer in steady state) to less than 0.3 T to obtain a noise of 55-60 dB (while we will see that a noise of 55 dB maximum is desirable) which corresponds to a mass of more than 18.7 kg in order to be able to transform the electrical power required; in this example the mass power density of the transformer core can be evaluated at a rate of 46 kVA/18.7 kg= 2.46 kVA/kg of magnetic core, which is too low a power density to be acceptable;
  • In Example 21 with 53.3% Fe49Co49V2 section (therefore 46.7% nanocrystalline material section), the noise (58 dB) is still too high to comply with the specifications; the total mass is 6.4 kg, ie 28% greater than that of example 12 entirely in nanocrystalline, which would be acceptable, and the inrush index is −0.35, which is good;
  • Examples 19 and 20 show that an acceptable noise can be obtained with more than 50% Fe49Co49V2, but for too high a total mass, which is 7.4 and 7.1 kg respectively (therefore 40 to 50% higher than with the single nanocrystalline solution of example 12);
  • Conversely in examples 18 and 18B, at 23.6 and 39% FeCo27 section respectively, the noise is a little too loud (56 and 58 dB) while the masses have been reduced to a suitable level. ; thus, having less than 50% of the magnetic section in high Js material is a necessary but not sufficient condition for satisfactory implementation of the invention; for example examples 15 and 18C with respectively 23.6 and 39% section of FeCo27 emit a sufficiently low noise, for low masses of, respectively, 5.1 and 5.8 kg, i.e. only 2 and 16% section more than the single nanocrystalline solution of example 12, but making it possible to benefit from all the advantages of the invention.

Les demi-circuits élémentaires formés par les parties 15, 16 sont très stables dimensionnellement, notamment après imprégnation par un vernis et polymérisation, même sous les contraintes de maintien des deux pièces en C du noyau magnétique élémentaire. Ce ne serait pas le cas si on enlevait les parties à haute Js 1, 2 qui servent de supports mécaniques aux enroulements 3, 4 à faible magnétostriction, et rigidifient chaque noyau élémentaire.The elementary half-circuits formed by the parts 15, 16 are very dimensionally stable, in particular after impregnation with a varnish and polymerization, even under the constraints of maintaining the two C-shaped parts of the elementary magnetic core. This would not be the case if the high Js parts 1, 2 were removed, which serve as mechanical supports for the low magnetostriction windings 3, 4, and stiffen each elementary core.

Les alliages magnétiques à basse magnétostriction et basses pertes magnétiques des enroulements 3, 4 permettent de satisfaire la plupart des exigences requises, notamment le très faible bruit acoustique émis, même quand on se place à une induction de travail Bt proche de la saturation. Cela permet dans ce cas de maximiser la densité de puissance, en particulier dans le cas des matériaux nanocristallins où on peut travailler jusqu'à 1,2 T. C'est l'autre matériau, à haute Js, de l'enroulement 14 le plus externe du noyau qui contribue le plus à l'amortissement de l'effet d'inrush.The magnetic alloys with low magnetostriction and low magnetic losses of the windings 3, 4 make it possible to satisfy most of the required requirements, in particular the very low acoustic noise emitted, even when one places oneself at a work induction B t close to saturation. This makes it possible in this case to maximize the power density, in particular in the case of nanocrystalline materials where it is possible to work up to 1.2 T. This is the other material, at high Js, of the winding 14 the outer part of the core which contributes the most to the damping of the inrush effect.

Mais on s'aperçoit, avec surprise, que grâce au matériau support magnétique à haute Js des enroulements internes 1, 2 des sous-noyaux, l'effet d'inrush est réparti sur les deux types de matériau. Ainsi l'induction de fonctionnement du matériau majoritaire nanocristallin peut être augmentée presque jusqu'à saturation, ce qui permet d'alléger d'autant le transformateur.But we notice, with surprise, that thanks to the high Js magnetic support material of the internal windings 1, 2 of the sub-cores, the inrush effect is distributed over the two types of material. Thus the operating induction of the majority nanocrystalline material can be increased almost to saturation, which makes it possible to lighten the transformer accordingly.

Les alliages à haute Js se caractérisent par une magnétostriction d'amplitude moyenne (FeSi, FeNi, amorphes base fer) à importante (FeCo), ce qui oblige à réduire de façon très importante l'induction de travail Bt (typiquement à au plus 0,7 T) pour obtenir un faible bruit acoustique.High Js alloys are characterized by medium (FeSi, FeNi, iron-based amorphous) to high (FeCo) amplitude magnetostriction, which makes it necessary to reduce the work induction B t very significantly (typically to at most 0.7T) to achieve low acoustic noise.

On s'est rendu compte qu'en utilisant conjointement, de façon astucieuse, les alliages à basse magnétostriction et basses pertes magnétiques et les alliages à haute Js, notamment, de préférence, par le réglage différencié de l'entrefer 17 qui est ménagé, avantageusement mais pas obligatoirement, entre les matériaux de chaque paire de C, de façon à lui donner une valeur ε1 au niveau du premier matériau et une valeur ε2 au niveau du deuxième matériau, et aussi par les proportions respectives des matériaux, on pouvait en même temps d'une part régler une haute induction de travail dans la partie à basse magnétostriction, et d'autre part régler une basse induction de travail dans la partie à haute Js. En procédant de la sorte, l'effet d'inrush est suffisamment amorti et réparti sur les deux types de matériau, et le bruit émis par chacun des matériaux reste faible, tout en permettant une densité de puissance assez élevée, en tous cas meilleure que ce qui est connu dans l'état de l'art pour les solutions dans lesquelles un bruit de magnétostriction faible est prioritairement recherché.It has been realized that by using together, in a clever way, alloys with low magnetostriction and low magnetic losses and alloys with high Js, in particular, preferably, by the differentiated adjustment of the air gap 17 which is provided, advantageously but not necessarily, between the materials of each pair of C, so as to give it a value ε1 at the level of the first material and a value ε2 at the level of the second material, and also by the respective proportions of the materials, it was possible at the same time on the one hand set a high work induction in the part with low magnetostriction, and on the other hand set a low work induction in the part with high Js. By proceeding in this way, the inrush effect is sufficiently damped and distributed over the two types of material, and the noise emitted by each of the materials remains low, while allowing a fairly high power density, in any case better than what is known in the state of the art for solutions in which a low magnetostriction noise is primarily sought.

On va à présent décrire des exemples d'application de l'invention et des exemples de référence, en se fondant sur les figures 1 et 2 et sur les résultats expérimentaux du tableau 4 que traduit la figure 3.We will now describe examples of application of the invention and reference examples, based on the figures 1 and 2 and on the experimental results of table 4 which translates the picture 3 .

On considère sur la figure 2 un noyau 18 de transformateur monophasé, caractérisé par une forme rectangulaire-oblongue de hauteur h, de largeur l et de profondeur p, sur laquelle s'appuie l'enroulement du principal matériau actif du transformateur: le matériau à basse magnétostriction. Ce noyau élémentaire 18 peut aussi être intégré à un circuit de transformateur triphasé comme représenté sur la figure 1 en tant que module élémentaire.We consider on the figure 2 a single-phase transformer core 18, characterized by a rectangular-oblong shape of height h, width l and depth p, on which rests the winding of the main active material of the transformer: the material with low magnetostriction. This elementary core 18 can also be integrated into a three-phase transformer circuit as shown in the figure 1 as an elementary module.

Ce module de transformateur monophasé à circuit oblong est réalisé avec un premier matériau à haute Js, d'épaisseur d'enroulage ep1, et avec un deuxième matériau à basse magnétostriction enroulé autour du premier matériau lui-même préalablement enroulé, et présentant une épaisseur d'enroulage ep2. Les petit et grand côtés intérieurs de l'enroulement 3 (deuxième matériau), et qui sont aussi les petit et grand côtés extérieurs de l'enroulement 1 (premier matériau) lorsqu'il est présent (comme dans les exemples selon l'invention et dans certains des exemples de référence), sont notés respectivement « a » et « c », et valent respectivement, pour tous les exemples testés, a = 50 mm et c = 125 mm. a et c sont aussi les dimensions des côtés intérieurs des enroulements 3, 4 du deuxième matériau, à basse magnétostriction, disposés autour des enroulements 1, 2 du matériau à haute Js. Pour tous les essais, ep2 est égal à 20 mm. et ep1 est compris, selon les essais, entre 0 (absence de matériau à haute Js) et 20 mm.This oblong circuit single-phase transformer module is made with a first material with high Js, of winding thickness ep1, and with a second material with low magnetostriction wound around the first material itself wound beforehand, and having a thickness of winding ep2. The small and large inner sides of the winding 3 (second material), and which are also the small and large outer sides of the winding 1 (first material) when it is present (as in the examples according to the invention and in some of the reference examples), are denoted “a” and “c” respectively, and are respectively worth, for all the examples tested, a=50 mm and c=125 mm. a and c are also the dimensions of the inner sides of the windings 3, 4 of the second material, with low magnetostriction, arranged around the windings 1, 2 of the material with high Js. For all the tests, ep2 is equal to 20 mm. and ep1 is comprised, according to the tests, between 0 (absence of material at high Js) and 20 mm.

La profondeur p est variable selon les essais, car elle est conçue pour que la puissance transférée soit sensiblement la même dans tous les essais (de l'ordre de 46 kVA), compte tenu de ce que les valeurs de a et c sont également les mêmes dans tous les essais. On notera (voir le tableau 4) que p peut atteindre des valeurs aussi élevées que 265 mm pour un l'essai de référence 4 faisant usage d'un alliage Fe49Co49V2 seul et 176 mm pour l'essai de référence 8 faisant usage d'un alliage FeSi3 seul. Les solutions de référence faisant appel à un nanocristallin seul et les solutions de l'invention qui font usage d'un nanocristallin et d'un matériau à haute Js présentent une profondeur p nettement inférieure. Dans les exemples selon l'invention, elle est de l'ordre de 60 à 80 mm.The depth p is variable according to the tests, because it is designed so that the power transferred is substantially the same in all the tests (of the order of 46 kVA), taking into account that the values of a and c are also the same in all tests. It will be noted (see Table 4) that p can reach values as high as 265 mm for a reference test 4 using an Fe49Co49V2 alloy alone and 176 mm for the reference test 8 using a FeSi3 alloy alone. The reference solutions making use of a single nanocrystalline and the solutions of the invention which make use of a nanocrystalline and a material with high Js have a depth p that is markedly lower. In the examples according to the invention, it is of the order of 60 to 80 mm.

Le transformateur est alimenté en courant électrique de fréquence nominale 360 Hz. Le courant primaire d'alimentation a une intensité de 115 A avec un nombre de spires N1 valant en général 1 spire, mais étant de 5 spires dans l'exemple de référence 1 et de 2 spires dans les exemples de référence 2, 3 et 4, compte tenu des entrefers considérés de chaque enroulement 1 et 2 d'une part, 3 et 4 d'autre part, compte tenu aussi du matériau considéré pour chaque enroulement (donc de sa perméabilité), afin d'atteindre l'induction de travail Bt. Une tension de 230 V est appliquée au primaire. Le bobinage secondaire compte, dans tous les exemples décrits, un nombre N2 = 64 spires, et la tension nominale attendue au secondaire est de 230 V. Dans tous les cas le système de conversion d'énergie dans lequel est intégré le transformateur oblige celui-ci à fournir une variation de tension V1 constante de 230 V. Cela revient aussi à fournir une puissance constante triphasée de 46 kVA.The transformer is supplied with electric current of nominal frequency 360 Hz. The primary supply current has an intensity of 115 A with a number of turns N 1 generally equal to 1 turn, but being 5 turns in reference example 1 and 2 turns in reference examples 2, 3 and 4, taking into account the considered air gaps of each winding 1 and 2 on the one hand, 3 and 4 on the other hand, also taking into account the material considered for each winding (therefore of its permeability), in order to reach the work induction B t . A voltage of 230 V is applied to the primary. The secondary winding has, in all the examples described, a number N 2 =64 turns, and the nominal voltage expected at the secondary is 230 V. In all cases, the energy conversion system in which the transformer is integrated requires that to provide a constant voltage variation V 1 of 230 V. This also amounts to supplying a constant three-phase power of 46 kVA.

Le noyau magnétique est donc réalisé à partir d'une structure enroulée de bandes constituée :

  • d'un premier matériau à haute saturation ;
  • et, en complément, d'un deuxième matériau à basse magnétostriction, enroulé autour du premier matériau.
The magnetic core is therefore made from a wound structure of strips consisting of:
  • a first high saturation material;
  • and, in addition, a second material with low magnetostriction, wrapped around the first material.

Afin de délivrer toujours la même tension secondaire de 230 V, on joue sur la section du noyau magnétique, par l'intermédiaire de la profondeur p du noyau, tandis que l'épaisseur enroulée ep2 du deuxième matériau est maintenue identique pour tous les essais, égale à 20 mm et correspond à une longueur de circuit magnétique constante de 430 mm. Par différence, la longueur de circuit magnétique du premier matériau, à epaisseur variable selon les exemples, va de 270 à 343 mm dans tous les exemples selon l'invention et aussi dans tous les exemples de référence à module élémentaire bi-matériau. Si on considère que P est la puissance transformée, comme P = I.fem (intensité du courant primaire multipliée par la force électromotrice fem générée au secondaire) est une contrainte de dimensionnement (P = constante), et que la force électromagnétique est imposée par le circuit électrique et puisque « fem = N2.Bt.section du noyau.2π.fréquence », alors on doit accroitre la section lorsque on est obligé de réduire Bt pour baisser le bruit.In order to always deliver the same secondary voltage of 230 V, we play on the section of the magnetic core, via the depth p of the core, while the rolled thickness ep2 of the second material is kept identical for all the tests, equal to 20 mm and corresponds to a constant magnetic circuit length of 430 mm. By contrast, the length of the magnetic circuit of the first material, with variable thickness according to the examples, ranges from 270 to 343 mm in all the examples according to the invention and also in all the reference examples with an elementary bi-material module. If we consider that P is the transformed power, as P = I.fem (intensity of the primary current multiplied by the electromotive force fem generated at the secondary) is a dimensioning constraint (P = constant), and that the electromagnetic force is imposed by the electrical circuit and since “emf = N 2 .B t .section of the core.2π.frequency”, then the section must be increased when one is obliged to reduce B t to lower the noise.

On rappelle que c'est le deuxième matériau à basse magnétostriction qui fonctionne très principalement en régime permanent, et donc assure la tension et la puissance de sortie du transformateur. En revanche l'effet d'inrush provient de la combinaison des comportements magnétiques des deux matériaux, et afin d'apprécier l'apport innovant de la présence d'un autre matériau magnétique (le premier matériau) dans le noyau, l'épaisseur enroulée ep1 de ce premier matériau varie de 0 (ce qui correspond à une absence du premier matériau) à 20 mm selon les essais. Cela correspond à une longueur de circuit magnétique qui varie de 0 à 343,2 mm.It is recalled that it is the second material with low magnetostriction which operates very mainly in steady state, and therefore ensures the output voltage and power of the transformer. On the other hand, the inrush effect comes from the combination of the magnetic behaviors of the two materials, and in order to appreciate the innovative contribution of the presence of another magnetic material (the first material) in the core, the rolled thickness ep1 of this first material varies from 0 (which corresponds to an absence of the first material) to 20 mm depending on the tests. This corresponds to a magnetic circuit length which varies from 0 to 343.2 mm.

Le bruit provient, lui, de la magnétostriction des matériaux et de leur niveau d'aimantation, et donc le bruit sera principalement lié en régime permanent au comportement magnétique du deuxième matériau. L'indice d'inrush est donné par la formule connue : In = 2.Bt + Br - Bs pour un noyau magnétique à un seul matériau magnétique. Cette formule est généralisée au cas de deux matériaux selon : S 1 + S 2 . I n = S 2 . B r , 2 + S 1 . 2 B t , 1 J s , 1 + S 2 . 2 B t , 2 J s , 2

Figure imgb0006
où S1 et S2 sont les sections des enroulements des premier et deuxième matériaux respectivement, Br,2 est l'induction rémanente du deuxième matériau, seul actif en fin de période de régime permanent lorsqu'intervient la coupure du transformateur et le passage du noyau magnétique à l'état rémanent, Bt,1 et Bt,2 sont les inductions de travail, Js,1 et Js,2 sont les aimantations à saturation des premier et deuxième matériaux respectivement. La formule peut être aisément adaptée au cas où plus de deux matériaux sont utilisés.The noise comes from the magnetostriction of the materials and their level of magnetization, and therefore the noise will be mainly linked in steady state to the magnetic behavior of the second material. The inrush index is given by the known formula: I n =2.B t +B r -B s for a magnetic core with a single magnetic material. This formula is generalized to the case of two materials according to: S 1 + S 2 . I not = S 2 . B r , 2 + S 1 . 2 B you , 1 J s , 1 + S 2 . 2 B you , 2 J s , 2
Figure imgb0006
where S 1 and S 2 are the sections of the windings of the first and second materials respectively, B r,2 is the remanent induction of the second material, the only one active at the end of the steady state period when the transformer is cut off and the passage of the magnetic core in the remanent state, B t,1 and B t,2 are the work inductions, J s,1 and J s,2 are the saturation magnetizations of the first and second materials respectively. The formula can easily be adapted in the event that more than two materials are used.

On appelle dΦ/dt la tension induite (autrement dit la force électomotrice fem) par le transformateur. C'est grâce à elle qu'on transforme la puissance électrique P demandée : P = fem.I où I est l'intensité du courant magnétisant du transformateur.We call dΦ/dt the voltage induced (in other words the electromotive force emf) by the transformer. It is thanks to it that the electrical power P requested is transformed: P = fem.I where I is the intensity of the magnetizing current of the transformer.

Le bruit émis par les différents exemples réalisés de noyaux bobinés de transformateur est mesuré par un ensemble de microphones disposé autour du transformateur, dans le plan médian de la culasse magnétique. Les différents exemples de noyaux magnétiques utilisent un seul (références) ou deux (certaines références et l'invention) matériaux, à savoir des matériaux magnétiques doux (FeCo27, Fe49Co49V2, Fe-3%Si-G.O., acier électrique FeSi à grains orientés, nanocristallin FeCuNbSiB du type [Fe1-aNia]100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzNbαM'βM"γ avec a = 0 ; x = 1 ; y = 15 ; z =7,5 ; α =3 ; β= γ = 0. Le ou les matériau(x) est (sont) enroulé(s) suivant la structure de base définie précédemment.The noise emitted by the various examples made of wound transformer cores is measured by a set of microphones placed around the transformer, in the mid-plane of the magnetic yoke. The various examples of magnetic cores use a single (references) or two (certain references and the invention) materials, namely soft magnetic materials (FeCo27, Fe49Co49V2, Fe-3%Si-GO, grain-oriented FeSi electrical steel, nanocrystalline FeCuNbSiB of the type [Fe 1-a Ni a ] 100-xyz-α-β-γ Cu x Si y B z Nb α M' β M"γ with a = 0; x = 1; y = 15; z = 7.5, α=3, β=γ=0. The material(s) is (are) rolled up according to the basic structure defined previously.

Les exemples du tableau 4 ci-dessous sont dimensionnés et alimentés de façon à transformer toujours sensiblement la même puissance, à savoir environ 46kVA. Cette puissance triphasée étant donnée par √3.I1.dΦ/dt avec dΦ/dt = N2.(Bt,1.S1+ Bt,2.S2).ω = 230V, où I1 = 115A, N2 (nombre de spires du secondaire) égal à 64, ω (pulsation) = 2.π.f, f étant la fréquence, ici égale à 360 Hz, S1 et S2 (sections de culasse magnétique des premier et deuxième matériaux respectivement) égales respectivement à (H.ep1) et (H.ep2), et Bt,i est l'induction de travail du matériau i.The examples in table 4 below are sized and supplied in such a way as to always transform substantially the same power, namely approximately 46kVA. This three-phase power being given by √3.I 1 .dΦ/dt with dΦ/dt = N 2 .(B t,1 .S 1 + B t,2 .S 2 ).ω = 230V, where I 1 = 115A , N 2 (number of secondary turns) equal to 64, ω (pulsation) = 2.π.f, f being the frequency, here equal to 360 Hz, S 1 and S 2 (magnetic yoke sections of the first and second materials respectively) equal respectively to (H.ep1) and (H.ep2), and B t,i is the work induction of material i.

Une autre possibilité consiste à régler précisément les entrefers (après découpe) ε1 et ε2 entre les demi-circuits des enroulements des premier et deuxième matériaux respectivement, en leur conférant, le cas échéant, des valeurs différentes lors des façonnages des zones de coupe, afin de pouvoir limiter l'aimantation d'un matériau par rapport à l'autre. Sinon certains niveaux d'aimantation non maitrisés du matériau 1 pourraient augmenter beaucoup trop la magnétostriction ou l'effet d'inrush. Il faut, cependant, se souvenir que l'augmentation d'un entrefer augmente le courant nécessaire à l'aimantation au niveau Bt, et donc dégrade le rendement du transformateur. Un équilibre devra donc être trouvé entre les avantages et les inconvénients de l'utilisation pratique de cette solution.Another possibility consists in precisely adjusting the air gaps (after cutting) ε1 and ε2 between the half-circuits of the windings of the first and second materials respectively, by giving them, if necessary, different values during the shaping of the cutting zones, in order to to be able to limit the magnetization of one material relative to the other. Otherwise certain uncontrolled levels of magnetization of material 1 could increase the magnetostriction or the inrush effect too much. It should, however, be remembered that the increase in an air gap increases the current necessary for the magnetization at the level B t , and therefore degrades the efficiency of the transformer. A balance will therefore have to be found between the advantages and disadvantages of the practical use of this solution.

Par exemple dans l'exemple 13 de l'invention, l'entrefer résiduel minimal ε2 entre les deux demi-circuits du deuxième matériau (le matériau nanocristallin) est évalué à 10 µm, et alors la perméabilité magnétique relative équivalente µr,eq,mat2 du circuit magnétique « matériau 2 + entrefer » fait passer la perméabilité intrinsèque µr,mat2 du matériau 2 de 30 000 à 17670 dans le cas de l'exemple (en appliquant la formule 1 μ r ,eq ,mat 2 entrefer + 1 μ r ,mat 2

Figure imgb0007
). Si l'entrefer ε2 avait été dix fois plus large (100 µm), on aurait une perméabilité intrinsèque µr,eq,mat2 = 3760, soit quatre fois moindre que précédemment. Or (selon le théorème d'Ampère), H.L = N1.I (L étant la longueur moyenne de circuit magnétique) et H = B/µr,eq tant que le matériau travaille avec une courbe B = f(H) approximativement linéaire (cas du transformateur). Donc en maintenant Bt constant (pour maintenir la force électromagnétique et la puissance transférée constantes, comme dit précédemment), il faut compenser une augmentation de l'entrefer (et donc une baisse de µr,eq) par une hausse de l'intensité I du courant magnétisant, ce qui entraine une dégradation du rendement du transformateur.For example in example 13 of the invention, the minimum residual air gap ε2 between the two half-circuits of the second material (the nanocrystalline material) is evaluated at 10 μm, and then the equivalent relative magnetic permeability μ r,eq, mat2 of the “material 2 + air gap” magnetic circuit increases the intrinsic permeability µ r,mat2 of material 2 from 30,000 to 17,670 in the case of the example (by applying the formula 1 μ r ,eq ,mast 2 air gap + 1 μ r ,mast 2
Figure imgb0007
). If the air gap ε2 had been ten times wider (100 µm), we would have an intrinsic permeability µ r,eq,mat2 = 3760, ie four times less than previously. However (according to Ampère's theorem), HL = N 1 .I (L being the average magnetic circuit length) and H = B/µ r,eq as long as the material works with a curve B = f(H) approximately linear (case of the transformer). So by keeping B t constant (to keep the electromagnetic force and the transferred power constant, as said previously), it is necessary to compensate for an increase in the air gap (and therefore a drop in µ r,eq ) by an increase in the intensity I of the magnetizing current, which leads to a deterioration in the efficiency of the transformer.

Si on considère sur le même exemple 13 l'entrefer ε1 des circuits magnétiques à matériau à haute Js, on conclut qu'un entrefer ε1 de 3,5 mm permet de limiter la perméabilité équivalente du premier matériau (ici FeCo) à 0,05 T (voir la formule µr,eq cidessus), et donc un bruit faible de 43 dB. Si l'entrefer ε1 est ramené à 10 µm, donc à une valeur égale à celle de ε2, alors le matériau à haute Js FeCo dépasse largement l'induction de 1 T en régime permanent du transformateur, et le bruit du FeCo devient alors prédominant et non satisfaisant (très supérieur à 55 dB), mais peut être admissible pendant la durée de l'effet d'Inrush (soit de quelques fractions de secondes à quelques secondes).If we consider on the same example 13 the air gap ε1 of magnetic circuits with high Js material, we conclude that an air gap ε1 of 3.5 mm makes it possible to limit the equivalent permeability of the first material (here FeCo) to 0.05 T (see the formula µ r,eq above), and therefore a low noise of 43 dB. If the air gap ε1 is reduced to 10 µm, therefore to a value equal to that of ε2, then the material with high Js FeCo greatly exceeds the induction of 1 T in the steady state of the transformer, and the noise of the FeCo then becomes predominant and unsatisfactory (much higher than 55 dB), but may be admissible for the duration of the Inrush effect (ie from a few fractions of a second to a few seconds).

La règle générale de limitation des effets d'inrush et du bruit est que, comme l'induction de travail Bt a une influence dégradante aussi bien sur l'effet d'inrush que sur le bruit de magnétostriction, il est nécessaire de baisser Bt pour atténuer ces effets. Mais il faut compenser cette baisse de Bt par une hausse de la section magnétique pour conserver dΦ/dt et la puissance transformée au même niveau.The general rule for limiting inrush effects and noise is that, as the work induction B t has a degrading influence on both the inrush effect and the magnetostriction noise, it is necessary to lower B t to mitigate these effects. But this drop in B t must be compensated by an increase in the magnetic section to keep dΦ/dt and the transformed power at the same level.

Le cahier des charges de ce transformateur aéronautique est que le bruit doit être au maximum de 55 dB, au moins hors des périodes pendant lesquelles l'effet d'inrush se fait sentir, et le facteur d'inrush inférieur ou égal à 1, avec une masse de noyau magnétique la plus faible possible. En outre, la masse totale de matériaux magnétiques ne devrait pas dépasser 6,5 kg environ. On verra que pour que cette dernière condition soit remplie en même temps que les deux autres, il ne faut pas que la section totale de matériau à haute Js par rapport à la section totale de matériaux magnétiques dans le noyau dépasse 50%. Cette condition doit aussi être respectée si on raisonne sur chacun des sous-noyaux internes et externe pris isolément. Pour ne pas alourdir le tableau 4, on y a seulement précisé le rapport des sections totales, mais il doit être entendu que tous les exemples selon l'invention respectent aussi la condition pour chacun de leurs sous-noyaux.The specifications for this aeronautical transformer are that the noise must be a maximum of 55 dB, at least outside the periods during which the inrush effect is felt, and the inrush factor less than or equal to 1, with the lowest possible magnetic core mass. Also, the total mass of magnetic materials should not exceed about 6.5 kg. We will see that for this last condition to be fulfilled at the same time as the other two, the total section of the high Js material relative to the total section of magnetic materials in the core exceeds 50%. This condition must also be respected if we reason on each of the internal and external sub-nuclei taken in isolation. In order not to complicate Table 4, only the ratio of the total sections has been specified there, but it must be understood that all the examples according to the invention also meet the condition for each of their sub-cores.

Les exemples du tableau 4 montrent ce qui suit. Ceux notés « ref » sont des exemples de référence, ceux notés « inv » sont des exemples selon l'invention.The examples in Table 4 show the following. Those denoted “ref” are reference examples, those denoted “inv” are examples according to the invention.

Les exemples 1 à 12, 18,18B, 19 à 21 inclus du tableau 4 sont donc des exemples de référence, et les exemples 13 à 17 inclus, 18C, 22 à 24 inclus sont des exemples selon l'invention qui répondent à tous les critères du cahier des charges tel que définis précédemment.Examples 1 to 12, 18, 18B, 19 to 21 inclusive of Table 4 are therefore reference examples, and Examples 13 to 17 inclusive, 18C, 22 to 24 inclusive are examples according to the invention which meet all the criteria of the specifications as defined above.

On notera que pour les exemples de référence 1 à 12, on n'a pas prévu d'entrefer dans le deuxième matériau. Pour tous les autres exemples, qu'ils soient de référence ou selon l'invention, on a prévu un entrefer ε2 de 10 µm dans le deuxième matériau. Pour les exemples 13 à 24, qu'ils soient de référence ou selon l'invention, on a prévu à la fois un entrefer ε2 de 10 µm dans le deuxième matériau et un entrefer ε1 dans le premier matériau, ε1 pouvant prendre diverses valeurs selon les essais, et ε1 étant différent de ε2, sauf pour l'exemple 24 où ε1 = ε2 = 10 µm. Il doit être entendu que dans ces exemples, ε1 et ε2 sont les mêmes pour tous les éléments du noyau : les deux sous-noyaux internes et le sous-noyau externe.It will be noted that for reference examples 1 to 12, no air gap has been provided in the second material. For all the other examples, whether reference or according to the invention, an air gap ε2 of 10 μm has been provided in the second material. For examples 13 to 24, whether they are reference or according to the invention, both an air gap ε2 of 10 μm in the second material and an air gap ε1 in the first material have been provided, ε1 being able to take various values according to the tests, and ε1 being different from ε2, except for example 24 where ε1 = ε2 = 10 μm. It must be understood that in these examples, ε1 and ε2 are the same for all the elements of the kernel: the two internal sub-nuclei and the external sub-nucleus.

Pour calculer les volumes et en déduire les sections des différents matériaux, on a pris comme masses volumiques 7900 kg/m3 pour le FeCo27, 8200 kg/m3 pour le FeCo50V2, 7650 kg/m3 pour le FeSi3, 7350 kg/m3 pour le nanocristallin.To calculate the volumes and deduce the sections of the different materials, we took as densities 7900 kg/m 3 for FeCo27, 8200 kg/m 3 for FeCo50V2, 7650 kg/m 3 for FeSi3, 7350 kg/m 3 for nanocrystalline.

Les Js des différents matériaux sont de 2,00 T pour le FeCo27, 2,35 T pour le FeCo50V2, 2,03 T pour le FeSi3, 1,25 T pour le nanocristallin. Tableau 4 : Performances des différentes configurations de noyaux testées Deuxième matériau Premier matériau Régime permanent Masse et section Ex. Matériaux 2 + 1 ep2 mm ep1 mm P mm B, mat. 2 Bt,2 (T) Br mat. 2 Br (T) Bt mat. 1 Bt,1 (T) dΦ/dt (V) Bruit (dB) Indice d'inrush Masse mat. 1 (kg) Masse mat. 2 (kg) Masse totale (kg) % poids de mat. 1 (à haute Js % section de mat. 1 (à haute Js) Puissance triphasée (kVA) Entrefer mat. 2 ε2 (µm) Entrefer mat. 1 ε1 (µm) 1 réf FeCo27 20 0 40 2 0,95 - 231,62 105 2,95 0 2,7 2,7 0 0 46,14 0 0 2 réf Fe49Co49V2 20 0 40 2 1,3 - 231,62 115 2,95 0 2,8 2,8 0 0 46,14 0 0 3 ref Fe49Co49V2 20 0 53 1,5 0,975 - 230,18 96 1,63 0 3,7 3,7 0 0 45,85 0 0 4 ref Fe49Co49V2 20 0 80 1 0,65 - 231,62 75 0,3 0 5,6 5,6 0 0 46,14 0 0 5 ref Fe49Co49V2 20 0 265 0,3 0,195 - 230,16 61 -1,56 0 18,7 18,7 0 0 45,85 0 0 6 réf FeSi3 20 0 53 1,5 1,05 - 230,18 92 2,02 0 3,5 3,5 0 0 45,85 0 0 7 réf FeSi3 20 0 72 1,1 0,77 - 229,31 85 0,94 0 4,7 4,7 0 0 45,67 0 0 8 réf FeSi3 20 0 176 0,3 0,21 - 229,31 57 -1,22 0 19,0 19,0 0 0 45,67 0 0 9 réf FeSi3 20 0 72 1,1 0 - 229,31 85 0,17 0 4,7 4,7 0 0 45,67 10 0 10 réf Nanocristallin cycle couché ou coupé 20 0 72,3 1,1 0,055 - 230,26 40 1,01 0 4,6 4,6 0 0 45,87 10 0 11 réf Nanocristallin cycle couché ou coupé 20 0 94 0,85 0,0425 - 231,33 40 0,49 0 5,9 5,9 0 0 46,06 10 0 12 réf Nanocristallin cycle couché ou coupé 20 0 79,5 1 0,05 - 230,18 41 0,8 0 5,0 5,0 0 0 45,85 10 0 13 inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + Fe49Co49V2 20 2 72 1,10 0,06 0,05 230,35 43 0,71 0,40 4,6 5,0 8,0 10,8 45,88 10 3500 14 inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeCo27 20 1,7 70 1,1 0,055 0,4 229,83 46 0,8 0,33 4,4 4,7 7,0 9,3 45,78 10 360 15 inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + Fe49Co49V2 20 5 66,3 1,1 0,055 0,4 230,35 49 0,49 0,90 4,2 5,1 17,6 23,6 45,88 10 360 16 inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + Fe49Co49V2 20 2,1 68,3 1,1 0,055 0,6 229,98 48 0,8 0,40 4,3 4,7 8,5 11,2 45,81 10 220 17 inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + Fe49Co49V2 20 2,5 66,5 1,1 0,055 0,75 229,84 52 0,8 0,46 4,2 4,7 9,8 13,1 45,78 10 160 18 réf Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeCo18 20 5 60 1,1 0,055 0,9 230,18 56 0,69 0,81 3,8 4,6 17,6 23,6 45,85 10 120 18B ref Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeCo18 20 10 56,7 1,1 0,055 0,6 229,83 58 0,29 1,44 3,6 5,0 28,8 39 45,78 10 120 18C inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeCo18 20 10 66 1,1 0,055 0,2 229,31 53 0,02 1,68 4,2 5,88 28,6 39 45,67 10 120 19 ref Nanocristallin cycle couché ou coupé + Fe49Co49V2 20 20 69 1,1 0,055 0,05 229,74 53 -0,62 3,06 4,4 7,4 41,4 57,8 45,76 10 3500 20 ref Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeCo27 20 17 69,5 1,1 0,055 0,05 229,90 52 -0,49 2,73 4,4 7,1 38,5 53,3 45,79 10 3500 21 ref Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeCo27 20 17 69,5 1,1 0,055 0,2 229,90 58 -0,35 2,46 4,0 6,4 38,4 53,3 45,78 10 800 22 inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeSi3 20 5 71,5 1,1 0,055 0,05 230,30 47 0,42 0,90 4,5 5,4 16,7 23,6 45,87 10 3500 23 inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeSi3 20 5 71,5 1,1 0,055 0,05 230,30 50 0,42 0,90 4,5 5,4 16,7 23,6 45,87 10 3500 24 inv Nanocristallin cycle couché ou coupé + FeSi3 20 5 59 1,1 0,055 1 230,61 52 0,8 0,74 3,7 4,5 16,4 23,6 45,93 10 10 The Js of the different materials are 2.00 T for FeCo27, 2.35 T for FeCo50V2, 2.03 T for FeSi3, 1.25 T for nanocrystalline. Table 4: Performance of different core configurations tested Second material First material Steady state Mass and section Ex. Materials 2 + 1 thickness 2 mm thickness 1 mm P mm B, matte. 2 B t,2 (T) Br matt. 2 Br (T) B t matt. 1 B t,1 (T) dΦ/dt (V) Noise (dB) Inrush index Matt mass. 1 (kg) Matt mass. 2 (kg) Total mass (kg) % weight of mat. 1 (at high Js % section of mat. 1 (at high Js) Three-phase power (kVA) Matt air gap. 2ε2 (µm) Matt air gap. 1ε1 (µm) 1 ref FeCo27 20 0 40 2 0.95 - 231.62 105 2.95 0 2.7 2.7 0 0 46.14 0 0 2 ref Fe49Co49V2 20 0 40 2 1.3 - 231.62 115 2.95 0 2.8 2.8 0 0 46.14 0 0 3 references Fe49Co49V2 20 0 53 1.5 0.975 - 230.18 96 1.63 0 3.7 3.7 0 0 45.85 0 0 4 references Fe49Co49V2 20 0 80 1 0.65 - 231.62 75 0.3 0 5.6 5.6 0 0 46.14 0 0 5 references Fe49Co49V2 20 0 265 0.3 0.195 - 230.16 61 -1.56 0 18.7 18.7 0 0 45.85 0 0 6 ref FeSi3 20 0 53 1.5 1.05 - 230.18 92 2.02 0 3.5 3.5 0 0 45.85 0 0 7 ref FeSi3 20 0 72 1.1 0.77 - 229.31 85 0.94 0 4.7 4.7 0 0 45.67 0 0 8 ref FeSi3 20 0 176 0.3 0.21 - 229.31 57 -1.22 0 19.0 19.0 0 0 45.67 0 0 9 ref FeSi3 20 0 72 1.1 0 - 229.31 85 0.17 0 4.7 4.7 0 0 45.67 10 0 10 ref Coated or cut cycle nanocrystalline 20 0 72.3 1.1 0.055 - 230.26 40 1.01 0 4.6 4.6 0 0 45.87 10 0 11 ref Coated or cut cycle nanocrystalline 20 0 94 0.85 0.0425 - 231.33 40 0.49 0 5.9 5.9 0 0 46.06 10 0 12 ref Coated or cut cycle nanocrystalline 20 0 79.5 1 0.05 - 230.18 41 0.8 0 5.0 5.0 0 0 45.85 10 0 13 inv Coated or cut cycle nanocrystalline + Fe49Co49V2 20 2 72 1.10 0.06 0.05 230.35 43 0.71 0.40 4.6 5.0 8.0 10.8 45.88 10 3500 14 inv Coated or cut cycle nanocrystalline + FeCo27 20 1.7 70 1.1 0.055 0.4 229.83 46 0.8 0.33 4.4 4.7 7.0 9.3 45.78 10 360 15 inv Coated or cut cycle nanocrystalline + Fe49Co49V2 20 5 66.3 1.1 0.055 0.4 230.35 49 0.49 0.90 4.2 5.1 17.6 23.6 45.88 10 360 16 inv Coated or cut cycle nanocrystalline + Fe49Co49V2 20 2.1 68.3 1.1 0.055 0.6 229.98 48 0.8 0.40 4.3 4.7 8.5 11.2 45.81 10 220 17 inv Coated or cut cycle nanocrystalline + Fe49Co49V2 20 2.5 66.5 1.1 0.055 0.75 229.84 52 0.8 0.46 4.2 4.7 9.8 13.1 45.78 10 160 18 ref Coated or cut cycle nanocrystalline + FeCo18 20 5 60 1.1 0.055 0.9 230.18 56 0.69 0.81 3.8 4.6 17.6 23.6 45.85 10 120 18B ref Coated or cut cycle nanocrystalline + FeCo18 20 10 56.7 1.1 0.055 0.6 229.83 58 0.29 1.44 3.6 5.0 28.8 39 45.78 10 120 18C reverse Coated or cut cycle nanocrystalline + FeCo18 20 10 66 1.1 0.055 0.2 229.31 53 0.02 1.68 4.2 5.88 28.6 39 45.67 10 120 19 ref Coated or cut cycle nanocrystalline + Fe49Co49V2 20 20 69 1.1 0.055 0.05 229.74 53 -0.62 3.06 4.4 7.4 41.4 57.8 45.76 10 3500 20 references Coated or cut cycle nanocrystalline + FeCo27 20 17 69.5 1.1 0.055 0.05 229.90 52 -0.49 2.73 4.4 7.1 38.5 53.3 45.79 10 3500 21 ref Coated or cut cycle nanocrystalline + FeCo27 20 17 69.5 1.1 0.055 0.2 229.90 58 -0.35 2.46 4.0 6.4 38.4 53.3 45.78 10 800 22 inv Coated or cut cycle nanocrystalline + FeSi3 20 5 71.5 1.1 0.055 0.05 230.30 47 0.42 0.90 4.5 5.4 16.7 23.6 45.87 10 3500 23 inv Coated or cut cycle nanocrystalline + FeSi3 20 5 71.5 1.1 0.055 0.05 230.30 50 0.42 0.90 4.5 5.4 16.7 23.6 45.87 10 3500 24 inv Coated or cut cycle nanocrystalline + FeSi3 20 5 59 1.1 0.055 1 230.61 52 0.8 0.74 3.7 4.5 16.4 23.6 45.93 10 10

Un circuit entièrement nanocristallin (exemples de référence 10 à 12) permet, certes, d'atteindre les exigences du cahier des charges en bruit et en inrush, pour une masse seule de circuit magnétique pouvant descendre à 4,6 kg ce qui serait satisfaisant à première vue. Cependant cette masse n'inclut pas les supports non magnétiques du circuit magnétique, pouvant être réalisés, par exemple, en bois, en teflon ou en aluminium, et qui peuvent constituer une masse de plusieurs centaines de grammes.An entirely nanocrystalline circuit (reference examples 10 to 12) certainly makes it possible to meet the requirements of the specifications in terms of noise and inrush, for a mass alone of the magnetic circuit which can go down to 4.6 kg, which would be satisfactory to first sight. However, this mass does not include the non-magnetic supports of the magnetic circuit, which can be made, for example, of wood, Teflon or aluminum, and which can constitute a mass of several hundred grams.

La solution en nanocristallin seul nécessite forcément d'utiliser un support d'enroulage provisoire ou permanent. Dans le cas où il est permanent, il alourdit la masse du circuit nanocristallin comme on vient de le dire.The nanocrystalline solution alone necessarily requires the use of a temporary or permanent winding support. In the case where it is permanent, it increases the mass of the nanocrystalline circuit as we have just said.

Dans tous les cas (support permanent ou non), ce support doit être réalisé, alors qu'il ne participe de toute façon pas au fonctionnement électrique du transformateur, contrairement aux cas relevant de l'invention. Le coût de la réalisation du support n'est donc pas rentabilisé dans la conception du transformateur, contrairement aux cas de l'invention. Les exemples 10 à 12 ne sont donc pas considérés comme répondant entièrement au cahier des charges de l'invention, et sont classés comme références.In all cases (permanent support or not), this support must be made, even though it does not participate in any way in the electrical operation of the transformer, unlike the cases relating to the invention. The cost of producing the support is therefore not made profitable in the design of the transformer, unlike the cases of the invention. Examples 10 to 12 are therefore not considered to fully meet the specifications of the invention, and are classified as references.

Pour préciser ce point important, on peut comparer les exemples 12 de référence (nanocristallin seul) et 17 selon l'invention (noyau composite nanocristallin cycle couché ou coupé + FeCo27). Ces deux exemples sont choisis car ils peuvent être considérés comme étant les plus performants pour leurs choix technologiques respectifs, puisqu'ils ont un même indice d'Inrush. Le bruit émis est plus faible pour la solution 100% nanocristallin (41 dB contre 52 dB pour la solution noyau composite nanocristallin cycle couché ou coupé + FeCo27), mais dans les deux cas le bruit est inférieur au seuil admissible de 55 dB.To clarify this important point, reference examples 12 (nanocrystalline alone) and 17 according to the invention (nanocrystalline composite core cycle coated or cut + FeCo27) can be compared. These two examples are chosen because they can be considered to be the most efficient for their respective technological choices, since they have the same Inrush index. The noise emitted is lower for the 100% nanocrystalline solution (41 dB against 52 dB for the coated or cut cycle nanocrystalline composite core solution + FeCo27), but in both cases the noise is below the admissible threshold of 55 dB.

L'exemple 12 utilise une masse de matériau nanocristallin de 5,0 kg, à laquelle il faut rajouter une masse minimale de 200 à 300 g de téflon, aluminium ou inox amagnétique. On a envisagé les deux cas possibles pour cet exemple : support permanent et support non permanent.Example 12 uses a mass of nanocrystalline material of 5.0 kg, to which must be added a minimum mass of 200 to 300 g of non-magnetic Teflon, aluminum or stainless steel. Two possible cases have been considered for this example: permanent support and non-permanent support.

Le tableau 5 cite les opérations successives dans ces trois modes de réalisation, et compare les ordres de grandeur des coûts de chaque étape (de + : peu coûteux à +++ : cher ; 0 : étape absente du mode de réalisation) des solutions dans le cas de réalisation d'un sous-ensemble fonctionnel d'un tore seul (type transformateur monophasé) : Tableau 5 : Comparaison des coûts des solutions 12 (référence) et 17 (invention) Etape n° Solution 100% nanocristallin (n°12), support non permanent Coût de l'étape Solution 100% nanocristallin (n°12), support permanent Coût de l'étape Solution selon l'invention (n°20) Coût de l'étape 1 Réalisation d'un support non-permanent de noyau magnétique ++ Réalisation d'un support permanent de noyau magnétique + Réalisation d'un support métallique magnétique FeCo ++ 2 Enroulage de la bande amorphe sur un support métallique extractible (virole) + Enroulage de la bande amorphe sur un support métallique extractible (« virole ») + Enroulage de la bande nanocristalline sur le support , avec une cale de contraction de nanocristallisation (environ 1%) enlevée en fin d'enroulage + 3 Recuit de nanocristallisation et contraction du ruban amorphe sur la virole + Recuit de nanocristallisation et contraction du ruban amorphe sur la virole + Recuit de nanocristallisation et contraction sur le support FeCo + 4 Extraction du noyau nanocristallin de la virole + Extraction du noyau nanocristallin de la virole + 0 0 5 Noyau nanocristallin placé sur le support non-permanent avec jeu minimal + Noyau nanocristallin placé sur le support permanent avec jeu minimal + 0 0 6 Imprégnation de l'ensemble « noyau + support » ++ Imprégnation de l'ensemble « noyau + support » ++ Imprégnation de l'ensemble « noyau + support » ++ 7 Polymérisation de l'ensemble + Polymérisation de l'ensemble + Polymérisation de l'ensemble + 8 Extraction du support non adhérent + 0 0 9 Découpe en deux C égaux du noyau seul imprégné ++ Découpe en deux C égaux du noyau + support imprégné + Découpe en deux C égaux + 10 Surfaçage des faces de coupe des C + Surfaçage des faces de coupe des C + Surfaçage des faces de coupe des C + 11 Assemblage mécanique à entrefer réglé (cale éventuelle) +++ Assemblage mécanique à entrefer réglé (cale éventuelle) ++ Assemblage mécanique à entrefer réglé (cale éventuelle) ++ Table 5 cites the successive operations in these three embodiments, and compares the orders of magnitude of the costs of each step (from +: inexpensive to +++: expensive; 0: step absent from the embodiment) of the solutions in the case of making a functional sub-assembly of a single toroid (single-phase transformer type): Table 5: Cost comparison of solutions 12 (reference) and 17 (invention) Step no. 100% nanocrystalline solution (n°12), non-permanent support Stage cost 100% nanocrystalline solution (n°12), permanent support Stage cost Solution according to the invention (No. 20) Stage cost 1 Realization of a non-permanent magnetic core support ++ Realization of a permanent magnetic core support + Realization of a FeCo magnetic metal support ++ 2 Winding of the amorphous strip on an extractable metal support (shell) + Winding of the amorphous strip on an extractable metal support (“ferrule”) + Winding of the nanocrystalline strip on the support, with a nanocrystallization contraction wedge (approximately 1%) removed at the end of winding + 3 Annealing of nanocrystallization and contraction of the amorphous ribbon on the ferrule + Annealing of nanocrystallization and contraction of the amorphous ribbon on the ferrule + Annealing of nanocrystallization and contraction on the FeCo support + 4 Extraction of the nanocrystalline core from the ferrule + Extraction of the nanocrystalline core from the ferrule + 0 0 5 Nanocrystalline core placed on the non-permanent support with minimal clearance + Nanocrystalline core placed on the permanent support with minimal clearance + 0 0 6 Impregnation of the “core + support” assembly ++ Impregnation of the “core + support” assembly ++ Impregnation of the “core + support” assembly ++ 7 Polymerization of the whole + Polymerization of the whole + Polymerization of the whole + 8 Extraction of non-adherent support + 0 0 9 Cutting into two equal Cs of the impregnated core alone ++ Cutting into two equal Cs of the core + impregnated support + Cut into two equal Cs + 10 Surfacing of the cutting faces of the Cs + Surfacing of the cutting faces of the Cs + Surfacing of the cutting faces of the Cs + 11 Mechanical assembly with regulated air gap (wedge if necessary) +++ Mechanical assembly with regulated air gap (wedge if necessary) ++ Mechanical assembly with regulated air gap (wedge if necessary) ++

Le tableau 5 montre qu'il y a moins d'opérations dans le cas de l'invention, et, de plus, certaines des opérations communes aux diverses solutions sont moins coûteuses dans le cas de l'invention. En effet, lors de la découpe et de l'assemblage des pièces en C en matériau 100% nanocristallin (exemple 12 sans support mécanique permanent), l'absence de support mécanique rigidifiant (cas « sans support permanent ») impose de maintenir les C avec précaution, donc en utilisant des gabarits de serrage adaptés afin de ne pas déformer et abîmer les pièces.Table 5 shows that there are fewer operations in the case of the invention, and, moreover, some of the operations common to the various solutions are less costly in the case of the invention. Indeed, when cutting and assembling C parts in 100% nanocrystalline material (example 12 without permanent mechanical support), the absence of stiffening mechanical support (case "without permanent support") requires maintaining the C carefully, therefore using appropriate clamping jigs so as not to deform and damage the parts.

Dans le cas de l'exemple de référence 12 avec support permanent, les précautions sont les mêmes que pour l'invention, mais dans ce cas, on alourdit le noyau final, et le coût du support est ajouté à chaque noyau magnétique produit.In the case of Reference Example 12 with a permanent support, the precautions are the same as for the invention, but in this case, the final core is made heavier, and the cost of the support is added to each magnetic core produced.

Dans le cas de l'exemple 17 selon l'invention, le support FeCo constitue une âme mécanique évitant des déformations mécaniques irréversibles, et est en même temps utilisé fonctionnellement sur le plan électromagnétique et électrique.In the case of example 17 according to the invention, the FeCo support constitutes a mechanical core avoiding irreversible mechanical deformations, and is at the same time used functionally on the electromagnetic and electrical plane.

Au final, par rapport à l'invention, la solution 100% nanocristallin de l'art antérieur (exemple 12) est soit un peu plus coûteuse à cause du plus grand nombre d'opérations et plus lourde à cause de la masse du support (cas du support permanent), soit (cas du support non permanent) de masse égale ou légèrement plus élevée, mais de toute façon nettement plus coûteuse à réaliser. Elle ne constitue donc pas, globalement, une solution satisfaisante aux problèmes que l'invention cherchait à résoudre.In the end, compared to the invention, the 100% nanocrystalline solution of the prior art (example 12) is either a little more expensive because of the greater number of operations and heavier because of the mass of the support ( case of the permanent support), or (case of the non-permanent support) of equal or slightly higher mass, but in any case much more expensive to produce. It therefore does not constitute, overall, a satisfactory solution to the problems which the invention sought to solve.

En revenant au tableau 4, on voit qu'un circuit principalement en nanocristallin avec un circuit supplémentaire en alliage Fe-27% Co dans certaines proportions limitées permet d'atteindre des performances de masse équivalentes, voire légèrement meilleures (masse finale proche de 4,5 kg dans le meilleur cas), tout en respectant également le cahier des charges en inrush et en bruit, si elle est comparée à une solution 100% nanocristallin à support non permanent (voir précédemment). Cet optimum de dimensionnement correspond, dans le cas des exemples selon l'invention, à une proportion en section de FeCo ou FeSi de 9 à 40% environ, et de 7 à 29% en poids environ, par rapport à l'ensemble des matériaux magnétiques du noyau. Cet optimum est également valable au niveau de chacun des sous-noyaux pris isolément.Returning to Table 4, we see that a circuit mainly in nanocrystalline with an additional circuit in Fe-27% Co alloy in certain limited proportions makes it possible to achieve equivalent or even slightly better mass performance (final mass close to 4, 5 kg in the best case), while also respecting the inrush and noise specifications, if it is compared to a 100% nanocrystalline solution with a non-permanent support (see above). This sizing optimum corresponds, in the case of the examples according to the invention, to a proportion by section of FeCo or FeSi of approximately 9 to 40%, and from 7 to 29% by weight approximately, compared to all the magnetic materials of the core. This optimum is also valid at the level of each of the sub-nuclei taken separately.

En augmentant encore la proportion de FeCo, et donc en alourdissant le circuit magnétique (cas à plus de 30% en poids et à plus de 50% en section de FeCo, exemples 19, 20 et 21), on voit que l'effet d'inrush peut être drastiquement réduit jusqu'à un indice négatif. Dans ce cas, le circuit magnétique atteint une masse de l'ordre de 7 kg (pour un indice d'inrush nul). Cette masse peut cependant être considérée comme un peu trop élevée pour que cette solution technique soit pleinement satisfaisante, d'autant que, par ailleurs, le bruit n'est que relativement peu en-dessous du maximum acceptable de 55 dB (exemples 19 et 20) ou est au-dessus de ce maximum acceptable (exemple 21). Une masse de l'ordre de 6,5 kg serait en général considérée comme acceptable, mais seulement si, par ailleurs, les conditions sur le bruit et l'inrush sont respectées. Cela explique que l'exemple 21 ne soit pas considéré comme relevant de l'invention.By further increasing the proportion of FeCo, and therefore by making the magnetic circuit heavier (case of more than 30% by weight and more than 50% by section of FeCo, examples 19, 20 and 21), we see that the effect of inrush can be drastically reduced to a negative index. In this case, the magnetic circuit reaches a mass of around 7 kg (for a zero inrush index). This mass can however be considered a little too high for this technical solution to be fully satisfactory, especially since, moreover, the noise is only relatively slightly below the acceptable maximum of 55 dB (examples 19 and 20 ) or is above this acceptable maximum (example 21). A mass of the order of 6.5 kg would generally be considered acceptable, but only if, moreover, the noise and inrush conditions are respected. This explains why Example 21 is not considered to be part of the invention.

L'utilisation du FeSi-G.O. (acier électrique Fe-3% Si à Grains Orientés), en remplacement du FeCo, dans le cas précédent permet de constater les mêmes résultats en tendance que le cas précédent, mais en alourdissant quelque peu le circuit magnétique si on veut obtenir un indice d'inrush comparable.The use of FeSi-G.O. (Grain Oriented Fe-3% Si electrical steel), replacing FeCo, in the previous case shows the same trend results as the previous case, but making the magnetic circuit somewhat heavier if one wants to obtain an index of comparable inrush.

L'utilisation seule et sans entrefer localisé (c'est-à-dire avec un circuit magnétique non coupé), et à une induction élevée, des matériaux traditionnels des transformateurs embarqués aéronautiques (FeCo27, Fe49Co49V2, FeSi3) conduit à de très faibles masses de circuit magnétique (exemples 1, 2, 3, 6), mais aussi à un bruit très important (92 à 115 dB), nettement supérieur à la limite admissible de 55 dB, et à un effet d'inrush très important (indice d'inrush de 1,63 à 2,95) qui entrainera une dégradation de certains composants électroniques sur le réseau de bord. A noter que si on coupait le circuit pour obtenir un entrefer localisé et une très faible rémanence Br, alors l'effet d'inrush serait beaucoup moins important. Mais le bruit resterait aussi fort et le coût de mise en œuvre serait beaucoup plus élevé.The use alone and without a localized air gap (i.e. with an uncut magnetic circuit), and at high induction, of the traditional materials of aeronautical on-board transformers (FeCo27, Fe49Co49V2, FeSi3) leads to very low masses magnetic circuit (examples 1, 2, 3, 6), but also to very high noise (92 to 115 dB), well above the admissible limit of 55 dB, and to a very high inrush effect (index d 'inrush from 1.63 to 2.95) which will lead to the degradation of certain electronic components on the on-board network. Note that if the circuit were cut to obtain a localized air gap and a very low remanence Br, then the inrush effect would be much less significant. But the noise would still be loud and the implementation cost would be much higher.

L'utilisation de ces mêmes matériaux cristallins seuls, mais à une induction significativement plus faible, permet de réduire sensiblement l'effet d'inrush et le bruit (exemples n° 4, 5, 7, 8, 9) jusqu'à approcher (bruit) ou atteindre (inrush) les limites admissibles du cahier des charges. Cependant lorsque cette situation est obtenue (exemples n°5 et 8), la masse du circuit magnétique est de l'ordre de 18-19 kg, soit trois fois plus importante que celles des solutions de référence à base de nanocristallin seul et à induction élevée, ou des solutions selon l'invention où le nanocristallin est associé à du FeCo ou du FeSi.The use of these same crystalline materials alone, but at a significantly lower induction, makes it possible to significantly reduce the inrush effect and the noise (examples n° 4, 5, 7, 8, 9) until approaching ( noise) or reach (inrush) the admissible limits of the specifications. However, when this situation is obtained (examples n°5 and 8), the mass of the magnetic circuit is of the order of 18-19 kg, i.e. three times greater than those of the reference solutions based on nanocrystalline alone and with induction. high, or solutions according to the invention where the nanocrystalline is combined with FeCo or FeSi.

La figure 3 résume les performances de différentes solutions possibles de circuit magnétique dans un diagramme indice d'inrush-bruit où les masses de transformateur correspondant aux différents points sont également précisées.The picture 3 summarizes the performance of different possible magnetic circuit solutions in an inrush-noise index diagram where the transformer masses corresponding to the different points are also specified.

On y a reporté en pointillés les valeurs maximales de bruit de 55 dB et d'indice d'inrush de 1 exigées par le cahier des charges cité plus haut. On a entouré la zone dans laquelle se trouvent les exemples qui répondent à ces points du cahier des charges et présentent, de plus, une section de matériau à haute Js rapportée à la section totale de matériaux magnétiques de 50% au maximum, et des sections de matériaux à haute Js rapportées aux sections totales des matériaux magnétiques de chaque sous-noyau de 50% au maximum. Ce dernier point, qui fait également partie du cahier des charges, permet, en plus, de garantir que le noyau du transformateur est d'un poids très réduit, de l'ordre de 6,5 kg ou moins.The dotted lines show the maximum noise values of 55 dB and the inrush index of 1 required by the specifications cited above. The zone in which the examples are found which meet these points of the specifications and present, moreover, a section of material with high Js compared to the total section of magnetic materials of 50% at most, and sections of materials with high Js reported to the total sections of the magnetic materials of each sub-core by 50% at most. This last point, which is also part of the specifications, also makes it possible to guarantee that the core of the transformer is very light, of the order of 6.5 kg or less.

Il apparaît clairement que l'invention permet, par l'utilisation d'un circuit nanocristallin combiné avec du FeCo ou du FeSi, de respecter les limitations en bruit et en effet d'inrush en utilisant des circuits magnétiques beaucoup plus légers que les solutions en matériaux cristallins traditionnels (FeSi, FeCo comparables) utilisés seuls. Quant aux solutions utilisant un nanocristallin seul, leurs performances, à masse égale, sont assez comparables à celles de l'invention en termes de bruit et d'indice d'inrush, mais on a vu au tableau 5 que le coût de réalisation de ces solutions était sensiblement supérieur à celui des réalisations selon l'invention.It clearly appears that the invention makes it possible, by the use of a nanocrystalline circuit combined with FeCo or FeSi, to respect the limitations in noise and inrush effect by using magnetic circuits much lighter than the solutions in traditional crystalline materials (FeSi, FeCo comparable) used alone. As for the solutions using a single nanocrystalline, their performance, at equal mass, is fairly comparable to that of the invention in terms of noise and inrush index, but we have seen in table 5 that the cost of producing these solutions was substantially higher than that of the embodiments according to the invention.

L'Indice d'inrush est toujours une fonction strictement décroissante de la masse de la culasse magnétique. Mais cette courbe n'est pas linéaire, et elle permet dans le cas de l'exemple analysé de déterminer des solutions de culasse magnétique à assez faible masse (4 à 6,5 kg) pour un indice d'inrush déjà très réduit. De façon différente le bruit dépend non seulement de la masse, mais aussi du choix du/des matériau(x) utilisés (via leurs propriétés magnétostrictives).The Inrush Index is always a strictly decreasing function of the mass of the magnetic yoke. But this curve is not linear, and it makes it possible in the case of the example analyzed to determine magnetic yoke solutions with fairly low mass (4 to 6.5 kg) for an already very low inrush index. In a different way, the noise depends not only on the mass, but also on the choice of the material(s) used (via their magnetostrictive properties).

Il apparaît ainsi clairement que les solutions de l'invention à base de nanocristallin associé à un autre matériau (FeCo ou FeSi notamment) permettent d'associer une faible masse (4 à 6,5 kg), un faible bruit et un faible indice d'inrush, et pour un coût et une complexité de fabrication aussi modérés que possible.It thus appears clearly that the solutions of the invention based on nanocrystalline associated with another material (FeCo or FeSi in particular) make it possible to combine a low mass (4 to 6.5 kg), a low noise and a low index of 'inrush, and for a cost and manufacturing complexity as moderate as possible.

Des variantes de l'invention peuvent être envisagées.Variants of the invention can be envisaged.

On peut employer plusieurs matériaux à haute Js dans le même noyau magnétique, par exemple un alliage Fe-3%Si texturé Goss dans l'enroulement intérieur des sous-noyaux internes et un alliage Fe-50%Co dans l'enroulement extérieur du sous-noyau externe.Several high Js materials can be used in the same magnetic core, for example a Goss textured Fe-3%Si alloy in the inner winding of the inner sub-cores and an Fe-50%Co alloy in the outer winding of the sub - outer core.

On peut employer plusieurs matériaux à basse magnétostriction dans le même noyau magnétique, tel que, par exemple, un alliage nanocristallin FeCuNbSiB de la composition précisée plus haut, dans l'enroulement intérieur des sous-noyaux internes et un amorphe base cobalt dans l'enroulement extérieur du sous-noyau externe. Il est préférable d'utiliser le même matériau pour les deux sous-noyaux internes. Il est préférable de conserver la règle de conservation du flux magnétique « Js.Section» entre les trois sous-parties concernées par les matériaux à basse magnétostriction.Several materials with low magnetostriction can be used in the same magnetic core, such as, for example, a nanocrystalline FeCuNbSiB alloy of the composition specified above, in the inner winding of the inner sub-cores and an amorphous cobalt base in the winding. exterior of the outer subnucleus. It is best to use the same material for both inner sub-cores. It is preferable to keep the rule of conservation of the magnetic flux “J s .Section” between the three sub-parts concerned with materials with low magnetostriction.

Selon l'invention, l'utilisation des matériaux nanocristallins est préconisée par rapport à l'utilisation d'autres types de matériaux à basse magnétostriction.According to the invention, the use of nanocrystalline materials is recommended with respect to the use of other types of materials with low magnetostriction.

En effet les matériaux nanocristallins de composition FeCuNbSiB cités, qui constituent des exemples privilégiés mais pas exclusifs de matériaux utilisables pour la mise en œuvre de l'invention, sont connus pour permettre de régler leur magnétostriction à 0 par un traitement thermique adéquat, tandis que leur aimantation à saturation reste relativement élevée (1,25 T), donc propice à ne pas trop alourdir le transformateur (voir les principes de dimensionnement déjà rappelés influant sur dφ/dt et sur l'inrush).Indeed, the nanocrystalline materials of FeCuNbSiB composition mentioned, which constitute privileged but not exclusive examples of materials that can be used for the implementation of the invention, are known to make it possible to adjust their magnetostriction to 0 by an adequate heat treatment, while their magnetization at saturation remains relatively high (1.25 T), therefore conducive to not making the transformer too heavy (see the dimensioning principles already mentioned influencing dφ/dt and the inrush).

L'invention ne vaut pas que pour une structure triphasée à deux sous-noyaux mis côte à côte et imbriqués dans un troisième sous-noyau, mais est aussi applicable à un simple noyau magnétique de transformateur monophasé, ou à toute autre imbrication d'un nombre plus élevé de sous-noyaux magnétiques, par exemple dans le cas de transformateurs polyphasés à plus de trois phases. L'homme du métier pourra sans difficultés adapter la conception du transformateur selon l'invention à ce dernier cas.The invention is not only valid for a three-phase structure with two sub-cores placed side by side and nested in a third sub-core, but is also applicable to a simple magnetic core of a single-phase transformer, or to any other nesting of a higher number of magnetic sub-cores, for example in the case of polyphase transformers with more than three phases. A person skilled in the art will be able without difficulty to adapt the design of the transformer according to the invention to this latter case.

La découpe du noyau magnétique terminé, formant l'entrefer 17, de façon à mieux remplir la fenêtre de bobinage et donc à réduire la masse/le volume du noyau magnétique, n'est pas indispensable, mais elle est très préférable à la fois pour la raison précédente puisqu'on augmente la densité de puissance, via le remplissage optimal de la fenêtre de bobinage, mais aussi pour baisser l'induction rémanente du circuit magnétique. Un intérêt supplémentaire de la découpe est de pouvoir éventuellement différencier les entrefers ε1 et ε2 des deux matériaux, afin de mieux contrôler le niveau maximum d'aimantation du premier matériau à haute Js et haute magnétostriction.The cutting of the finished magnetic core, forming the air gap 17, so as to better fill the winding window and therefore to reduce the mass/volume of the magnetic core, is not essential, but it is very preferable both for the previous reason since the power density is increased, via the optimal filling of the winding window, but also to lower the remanent induction of the magnetic circuit. An additional advantage of the cut is to be able to possibly differentiate the air gaps ε1 and ε2 of the two materials, in order to better control the maximum level of magnetization of the first material with high Js and high magnetostriction.

Le réglage de l'entrefer peut donc être différent entre matériaux à basse magnétostriction et matériaux à haute Js, comme on l'a vu sur la plupart des exemples selon l'invention du tableau 4 et comme représenté sur les figures 1 et 2. Si la magnétostriction est très basse, la déformation cyclique des matériaux sera très faible et le calage de l'entrefer ne propagera et amplifiera que peu de bruit. En revanche pour les matériaux à haute Js, très magnétostrictifs, même pour des faibles inductions de travail en régime permanent (moins de 0,8 T, voire moins de 0,4 T) les vibrations peuvent être encore suffisantes pour générer un bruit supérieur aux exigences les plus fortes. Dans ce cas il peut être préférable d'usiner un léger entrefer, supérieur à celui du matériau à basse magnétostriction, afin que les matériaux à haute Js ne soient pas en contact avec la cale, ce qui permet de réduire l'émission de bruit.The adjustment of the air gap can therefore be different between materials with low magnetostriction and materials with high Js, as we have seen on most of the examples according to the invention in table 4 and as represented on the figures 1 and 2 . If the magnetostriction is very low, the cyclic deformation of the materials will be very low and the air gap wedging will only propagate and amplify little noise. On the other hand for materials with high Js, very magnetostrictive, even for low work inductions in steady state (less than 0.8 T, or even less than 0.4 T) the vibrations may still be sufficient to generate noise above the highest requirements. In this case it may be preferable to machine a slight air gap, greater than that of the material with low magnetostriction, so that the materials with high Js are not in contact with the wedge, which makes it possible to reduce the emission of noise.

Si on y voit un intérêt, on peut aussi prévoir des valeurs de ε1 et/ou ε2 différentes pour les diverses parties du noyau, autrement dit. que les entrefers (ε1, ε2) séparant les deux parties des divers enroulements (1, 2, 3, 4, 13, 14) ne soient pas tous identiques entre le sous-noyau magnétique interne et le sous-noyau magnétique externe.If we see an interest in it, we can also provide different values of ε1 and/or ε2 for the various parts of the core, in other words. that the air gaps (ε1, ε2) separating the two parts of the various windings (1, 2, 3, 4, 13, 14) are not all identical between the internal magnetic sub-core and the external magnetic sub-core.

Le surfaçage des faces de découpe du noyau magnétique n'est pas indispensable, mais il est préférable car il permet un meilleur dimensionnement des performances du transformateur. Cela permet d'accroitre les performances d'inrush, et de rendre plus reproductibles les transformateurs lors d'une production industrielle.The surfacing of the cut faces of the magnetic core is not essential, but it is preferable because it allows a better dimensioning of the performances of the transformer. This makes it possible to increase inrush performance, and to make transformers more reproducible during industrial production.

Le calibrage de l'entrefer par une cale n'est pas indispensable mais il est préférable pour régler précisément l'induction rémanente (liée notamment à l'effet d'inrush) et le niveau maximum d'aimantation accessible dans chaque matériau, et rendre les transformateurs plus reproductibles dans une production industrielle.Calibrating the air gap using a wedge is not essential, but it is preferable to precisely adjust the remanent induction (linked in particular to the inrush effect) and the maximum level of magnetization accessible in each material, and to make more reproducible processors in industrial production.

La symétrie de découpe du noyau magnétique n'est pas indispensable.The cutting symmetry of the magnetic core is not essential.

En cas de non-découpe, il n'est pas indispensable de coller, imprégner, fixer les différentes parties métalliques de la culasse, plus rigidement et étroitement que ne le permettent les différents enroulages serrés et le/les traitement(s) thermique(s).In the event of non-cutting, it is not essential to glue, impregnate, fix the various metal parts of the cylinder head, more rigidly and tightly than the various tight windings and the heat treatment(s) allow. ).

Les différents matériaux n'ont pas forcément la même largeur. Par exemple trois bandes d'amorphe nanocristallisable FeCuNbSiB de largeur l chacune peuvent être enroulées autour d'un tore pré-enroulé de sous-noyau interne en FeSi ou FeCo de largeur 3l. Cela amène l'avantage d'apporter un même support mécanique d'enroulage pour les bandes FeCuNbSiB qui sont surtout faciles à produire et utiliser lorsque leur largeur est inférieure à 20-25 mm, alors que les besoins pour les noyaux magnétiques de transformateurs embarqués peuvent largement excéder de telles largeurs.The different materials do not necessarily have the same width. For example, three strips of FeCuNbSiB nanocrystallizable amorphous of width l each can be wound around a pre-wound torus of internal FeSi or FeCo sub-core of width 3l. This brings the advantage of providing the same mechanical winding support for the FeCuNbSiB strips which are especially easy to produce and use when their width is less than 20-25 mm, whereas the needs for the magnetic cores of on-board transformers can greatly exceed such widths.

De façon alternative à la solution précédente, on peut aussi empiler différents noyaux magnétiques avec de mêmes largeurs de matériau, afin d'obtenir aussi au final un macro-tore plus large avant collage, fixage, imprégnation, calage mécanique ou autre, puis découpe, surfaçage puis montage des enroulements préfabriqués.As an alternative to the previous solution, it is also possible to stack different magnetic cores with the same widths of material, in order to also obtain in the end a wider macro-torus before gluing, fixing, impregnation, mechanical wedging or other, then cutting, surfacing then assembly of the prefabricated windings.

Tous les matériaux, ou seulement certains d'entre eux, peuvent être enroulés à l'état amorphe ou écroui ou partiellement cristallisé (selon les cas), ou bien être enroulés à l'état nanocristallisé (FeCuNbSiB), relaxé (amorphes base fer ou base cobalt) ou cristallisé (Fe-80%Ni, FeCo, FeSi, autres matériaux polycristallins).All materials, or only some of them, can be wound in the amorphous or work-hardened or partially crystallized state (depending on the case), or else be wound in the nanocrystallized state (FeCuNbSiB), relaxed (amorphous iron base or cobalt base) or crystallized (Fe-80%Ni, FeCo, FeSi, other polycrystalline materials).

Claims (23)

  1. - An elementary module of a magnetic core of an electrical transformer of the wound type, made up of a first (1; 2) and second (3; 4) superimposed winding, respectively made from a first and second material, said first material being a crystalline material with a saturation magnetization (Js) greater than or equal to 1.5 T, preferably greater than or equal to 2.0 T, better still greater than or equal to 2.2 T, and magnetic losses of less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum inductance of 1 T, preferably less than 15 W/kg, preferably less than 10 W/kg, said first material being chosen from among Fe-3% Si alloys with oriented grains, Fe-6.5% Si alloys, Fe-15 to 55% total of Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W alloys, textured or not, soft iron and ferrous alloys made up of at least 90% Fe and having Hc < 500 A/m, ferritic stainless steels Fe-Cr with 5 to 22% Cr, 0 to 10% total Mo, Mn, Nb, Si, Al, V and with more than 60% Fe, non-oriented electric steels Fe-Si-AI, Fe-Ni alloys with 40 to 60% Ni with no more than 5% total additions of other elements, Fe-based magnetic amorphous materials with 5 to 25% total B, C, Si, P and more than 60% Fe, 0 to 20% Ni + Co and 0 to 10% other elements, all of these content levels being given in percentages by weight.
    and said second material being a material with an apparent saturation magnetostriction (λsat) less than or equal to 5 ppm, preferably less than or equal to 3 ppm, better still less than or equal to 1 ppm, and magnetic losses of less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T, preferably less than 15 W/kg, preferably less than 10 W/kg, said second material being chosen from among Fe-75 to 82% Ni - 2 to 8% (Mo, Cu, Cr, V) alloys, cobalt-based amorphous alloys, and FeCuNbSiB nanocrystalline alloys,
    characterized in that the cross-sections (S1; S2) of the first winding (1; 2) and (S3; S4) of the second winding (3; 4) are such that the ratio (S1/(S1 + S3); S2/(S2 + S4)) of each cross-section of the first material with a high saturation magnetization (Js) compared to the cross-section of the set of the two materials of the elementary module is comprised between 2 and 40%.
  2. - The elementary module according to claim 1, wherein said second material is a nanocrystalline alloy with composition:

            Fe1-aNia]100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzNbαM'βM''γ

    with a ≤ 0.3; 0,3 ≤ x ≤ 3; 3 ≤ y ≤ 17, 5 ≤ z ≤ 20, 0 ≤ α ≤ 6, 0 ≤ β ≤ 7, 0 ≤ γ ≤ 8, M' being at least one of the elements V, Cr, Al and Zn, M" being at least one of the elements C, Ge, P, Ga, Sb, In and Be, the index numbers corresponding to atomic percentages.
  3. The elementary module according to one of claims 1 or 2, including an air gap (17) dividing it into two parts.
  4. - The elementary module according to claim 3, wherein the air gap (ε1) separating the two parts of the first windings (1; 2) is different from the air gap (ε2) separating the two parts of the second windings (3; 4).
  5. - The elementary module according to claim 3 or 4, wherein said two parts are symmetrical.
  6. - A single-phase electric transformer magnetic core, characterized in that it is made up of an elementary module according to one of claims 1 to 5.
  7. - A single-phase electric transformer, including a magnetic core and primary and secondary windings, characterized in that the magnetic core is of the type according to claim 6.
  8. - A three-phase electric transformer magnetic core, characterized in that it includes:
    - an inner magnetic sub-core made up of two elementary modules according to one of claims 1 to 4, alongside one another; and
    - an outer magnetic sub-core made up of two additional superimposed windings (13, 17), positioned in this order around the inner magnetic sub-core:
    ▪ a first winding (13) made from a strip of the material with low magnetic losses of less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T, preferably below 15 W/kg, preferably below 10 W/kg, and with a saturation apparent magnetostriction (λsat) less than or equal to 5 ppm, preferably less than or equal to 3 ppm, better still less than or equal to 1 ppm, said first winding (13) of the outer magnetic sub-core being made from a material chosen from among Fe-75 to 82% Ni - 2 to 8% (Mo, Cu, Cr, V) alloys, cobalt-based amorphous alloys, and FeCuNbSiB nanocrystalline alloys;
    a second winding (14) made from a strip of the material with a high saturation magnetization (Js) greater than or equal to 1.5 T, preferably greater than or equal to 2.0 T, better still greater than or equal to 2.2 T, and low magnetic losses of less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T, preferably below 15 W/kg, preferably below 10 W/kg; said second winding (14) of the outer magnetic sub-core being made from a material chosen from among Fe-3% Si alloys with oriented grains, Fe-6.5% Si alloys, Fe-15 to 50% total of Co, V, Ta, Cr, Si, Al, Mn, Mo, Ni, W alloys, textured or not, soft iron and ferrous alloys made up of at least 90% Fe and having Hc < 500 A/m, ferritic stainless steels Fe-Cr with 5 to 22% Cr, 0 to 10% total Mo, Mn, Nb, Si, Al, V and with more than 60% Fe, non-oriented electric steels Fe-Si-AI, Fe-Ni alloys with 40 to 60% Ni with no more than 5% total additions of other elements, Fe-based magnetic amorphous materials with 5 to 25% total B, C, Si, P and more than 60% Fe, 0 to 20% Ni + Co and 0 to 10% other elements, these contents being given by weight percent the cross-section (S13) of the first winding of the outer magnetic sub-core and the cross-section (S14) of the second winding (14) of the outer magnetic sub-core being such that the ratio (S14/(S13 + S14)) of the cross-section of the material with a high saturation magnetization and the cross-section of the set of the two materials of the outer magnetic sub-core is comprised between 2 and 50%, preferably between 4 and 40%, and the cross-section of material with a high saturation magnetization (Js) in the assembly of the core, in terms of ratio of cross-sections, relative to the total cross-sections of the two types of materials in the assembly of the core S 3 + S 4 + S 14 S 1 + S 2 + S 13 + S 3 + S 4 + S 14
    Figure imgb0010
    being comprised between 2 and 50%, preferably between 4 and 40%.
  9. - The three-phase electric transformer magnetic core according to claim 8, wherein said first winding (13) of the outer magnetic sub-core is made from a nanocrystalline material with composition: Fe 1 a Ni a 100 x y z α β γ Cu x Si y B z Nb α M β M " γ
    Figure imgb0011
    with a ≤ 0.3; 0,3 ≤ x ≤ 3; 3 ≤ y ≤ 17, 5 ≤ z ≤ 20, 0 ≤ α ≤ 6, 0 ≤ β ≤ 7, 0 ≤ γ ≤ 8, M' being at least one of the elements V, Cr, Al and Zn, M" being at least one of the elements C, Ge, P, Ga, Sb, In and Be, the index numbers corresponding to atomic percentages.
  10. - The magnetic core according to one of claims 8 or 9, including an air gap (17) dividing it into two parts.
  11. - The magnetic core according to claim 10, wherein the air gap (ε1) separating the two parts of the first windings (1; 2) of the inner magnetic sub-core and the two parts of the second winding (14) of the outer magnetic sub-core is different from the air gap (ε2) separating the two parts of the second windings (3; 4) of the inner magnetic sub-core and the two parts of the first winding (13) of the outer magnetic sub-core.
  12. - The magnetic core according to claim 10 or 11, wherein the various air gaps (ε1, ε2) separating the two parts of the various windings (1, 2, 3, 4, 13, 14) are not all identical between the inner magnetic sub-core and the outer magnetic sub-core.
  13. - The magnetic core according to one of claims 8 to 12, wherein the ratio between the cross-section (S13) of the first winding (13) of the outer magnetic sub-core and the cross-section (S3; S4) of the second windings (3, 4) of the inner magnetic sub-core is comprised between 0.8 and 1.2.
  14. - The magnetic core according to one of claims 8 to 13, wherein the ratio between the cross-section (S14) of the second winding (14) of the outer magnetic sub-core and the cross-section (S1; S2) of the first windings (1, 2) of the inner magnetic sub-core is comprised between 0.3 and 3.
  15. - The magnetic core according to one of claims 10 to 12, wherein said two parts are symmetrical.
  16. - A three-phase electric transformer, including a magnetic core and primary and secondary windings, characterized in that the magnetic core is of the type according to one of claims 8 to 15.
  17. - A method for manufacturing a single-phase electric transformer magnetic core according to claim 6, characterized in that it includes the following steps:
    - manufacturing a magnetic metal support in the form of a first winding (1) made from a first material, said first material being a crystalline material with a high saturation magnetization (Js) greater than or equal to 1.5 T, preferably greater than or equal to 2.0 T, better still greater than or equal to 2.2 T, and low magnetic losses of less than 20 W/kg at a frequency of 400 Hz in sinusoidal waves, for a maximum induction of 1 T;
    - winding, on said metal support, a second winding (3) made from a second material having, or being intended to have, after a nanocrystallization annealing, a saturation apparent magnetostriction (λsat) less than or equal to 5 ppm, preferably less than or equal to 3 ppm, better still less than or equal to 1 ppm and magnetic losses less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T, preferably less than 15 W/kg, preferably less than 10 W/kg and 2 to 40% in proportion of cross-section of first material with a high saturation magnetization (Js) compared to the section of the assembly of the first and second materials;
    - optionally, performing a nanocrystallization and contraction annealing of said second winding (3) on said support;
    - securing the two windings (1, 3), for example by sintering, or by gluing, or by impregnating using a resin and polymerization of said resin.
  18. - A method for manufacturing a three-phase electric transformer magnetic core according to claim 8, characterized in that it includes the following steps:
    - producing an inner magnetic sub-core made up of two elementary modules, each elementary module being produced as follows:
    • manufacturing a magnetic metal support in the form of a first winding (1; 2) made from a first material, said first material being a crystalline material with a high saturation magnetization (Js) greater than or equal to 1.5 T, preferably greater than or equal to 2.0 T, better still greater than or equal to 2.2 T, and low magnetic losses of less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T;
    • winding, on said metal support, a second winding (3; 4) made from a material having, or being intended to have, after a nanocrystallization annealing, a saturation apparent magnetostriction (λsat) less than or equal to 5 ppm, preferably less than or equal to 3 ppm, better still less than or equal to 1 ppm, and magnetic losses less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T, preferably less than 15 W/kg, preferably less than 10 W/kg, the ratio of the cross-section of first material with a high saturation magnetization (Js) to the total of the cross-sections of the materials of the first (1; 2) and second (3; 4) windings being from 2 to 40%;
    • optionally, performing a nanocrystallization and contraction annealing of said second winding (3; 4) on said support;
    - placing said elementary modules alongside one another along one of their sides, in order to form said inner magnetic sub-core;
    - producing an outer magnetic sub-core as follows:
    • positioning, around the inner magnetic sub-core, a third winding (13) made from a strip of material having, or being intended to have, after a nanocrystallization annealing, a saturation apparent magnetostriction (λsat) less than or equal to 5 ppm, preferably less than or equal to 3 ppm, better still less than or equal to 1 ppm, and magnetic losses less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T, preferably less than 15 W/kg, preferably less than 10 W/kg;
    • optionally, performing a nanocrystallization and contraction annealing of said third winding (13) on the inner magnetic sub-core;
    • positioning, around said third winding (13), a fourth winding (14) made from a material with a high saturation magnetization (Js) greater than or equal to 1.5 T, preferably greater than or equal to 2.0 T, better still greater than or equal to 2.2 T, and low magnetic losses of less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T, the ratio of the cross-section of material with a high saturation magnetization (Js) to the total of the cross-sections of the materials of the third (13) and fourth (14) windings being from 2 to 50%, preferably from 4 to 40%, and the proportion of material with a high saturation magnetization (Js) in the entire core, in terms of ratios of cross-sections, relative to the total cross-sections of the two types of materials, being comprised between 2 and 50%, preferably between 4 and 40%;
    • and securing said windings (1, 2, 3, 4, 13, 14), for example by sintering, or by gluing, or by impregnating using a resin and polymerization of said resin.
  19. - The method according to claim 17 or 18, wherein said magnetic transformer core is cut so as two form to elementary cores, said elementary cores next being intended to be reassembled so as to define an air gap between them (17).
  20. - The method according to claim 19, wherein the two elementary cores are symmetrical.
  21. - The method according to claim 19 or 20, wherein the surfaces of the elementary cores intended to define the air gap (17) are worked and surfaced before the elementary cores are reassembled.
  22. - The method according to claim 21, wherein the working and surfacing are done such that the surfaces intended to define the air gap (17) separating the first windings (1; 2) of the two elementary cores define an air gap (ε1) different from the air gap (ε2) separating the second windings (3; 4) of the two elementary cores.
  23. - The method according to one of claims 19 to 21, wherein the two elementary cores are reassembled by sintering using a crystalline material with a high saturation magnetization (Js) greater than or equal to 1.5 T, preferably greater than or equal to 2.0 T, better still greater than or equal to 2.2 T, and low magnetic losses of less than 20 W/kg in sinusoidal waves with a frequency of 400 Hz, for a maximum induction of 1 T.
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