EP3900062A1 - Dispositif d'accord - Google Patents

Dispositif d'accord

Info

Publication number
EP3900062A1
EP3900062A1 EP19829585.9A EP19829585A EP3900062A1 EP 3900062 A1 EP3900062 A1 EP 3900062A1 EP 19829585 A EP19829585 A EP 19829585A EP 3900062 A1 EP3900062 A1 EP 3900062A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tuning
piezoelectric transducer
piezoelectric
tuning device
assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19829585.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Thomas
Pierre BATY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP3900062A1 publication Critical patent/EP3900062A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15333—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals containing nanocrystallites, e.g. obtained by annealing
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers

Definitions

  • the field of the invention is that of tuning devices. These devices find a utility for supplying piezoelectric transducers, in particular in the field of sonars, for example acoustic wave transmitting antennas.
  • piezoelectric transducer represents a major difficulty for its power supply. Indeed, some transducers "consume” reactive power which may be more than five times their maximum active power (i.e. what is actually transmitted in water). It is therefore essential to limit the level of reactive power supplied for the supply of one or more piezoelectric transducer (s) in order to avoid oversizing the power stages placed upstream. However, to maximize the power emitted by the transducer, it makes sense to energize it electrically at its mechanical resonant frequency.
  • a step-up transformer can also be provided to adapt the voltage level of the source to that of the piezoelectric transducer.
  • the magnetizing inductance of the latter can also serve as a chord inductor.
  • the magnetic circuits of the tuning coils of the prior art are most often standard circuits, such as toroids made of ferromagnetic material of the iron alloy powder type embedded in a matrix. organic, MPP, Sendust etc. or ferrite circuits with an air gap. These magnetic circuits are heavy and bulky, therefore unsuitable for integrating several tuning coils on the same electronic card.
  • the inductance L corresponding substantially to the slope of the curve shown in FIG. 1, varies with the field H and therefore the current I. This characteristic is unfavorable to the agreement of the inductance with the capacity of the piezoelectric transducer at a predetermined frequency with a wide dynamic range of emitted power.
  • An object of the invention is to limit at least one of the aforementioned drawbacks.
  • the invention relates to a tuning device having a tuning inductor intended to be tuned with a capacity of an assembly of at least one piezoelectric transducer at a frequency of use of l assembly of at least one piezoelectric transducer, the tuning device comprising a toric magnetic core comprising a magnetic part based on a nanocrystalline ferromagnetic material, a set of at least one air gap in non-magnetic material and at least one winding 'a conductive element produced around the toric magnetic core.
  • the toroidal magnetic core may comprise a single air gap or several air gaps.
  • each air gap is dimensioned so that the coefficient of lateral development of the magnetic field lines of each air gap is less than or equal to 2.
  • the tuning device is a differential mode coil.
  • the tuning device is an adaptation transformer for tuning an input voltage of the transformer with an input voltage of the piezoelectric transducer, the tuning inductor being l magnetizing inductance of the transformer.
  • the tuning inductor is substantially fixed over an induction range extending from 0 T to 1 T.
  • the frequency of use is between 4000 Hz and 7000 Hz.
  • the invention also relates to a piezoelectric device comprising the tuning device according to the invention and the assembly of at least one piezoelectric transducer, the tuning inductor being tuned with a capacity of the assembly at least one piezoelectric transducer at a frequency of use of the assembly of at least one piezoelectric transducer.
  • the frequency of use is included in a frequency interval comprising the resonant frequency of the assembly of at least one piezoelectric transducer.
  • the frequency of use is substantially the mechanical resonance frequency of the piezoelectric transducer.
  • the tuning device can be a differential mode coil mounted in parallel or in series with the assembly of at least one piezoelectric transducer.
  • the tuning device is an adaptation transformer making it possible to adapt an input voltage of the transformer with an input voltage of the assembly of at least one piezoelectric transducer, the tuning inductor being the magnetizing inductance of the transformer.
  • the piezoelectric device comprises a power stage intended to excite at least one piezoelectric transducer via the tuning device.
  • the power stage and the tuning device are mounted on the same electronic card.
  • the invention also relates to a sonar antenna comprising a piezoelectric device according to the invention.
  • the piezoelectric transducer is an electroacoustic transducer.
  • FIG. 1 already described schematically represents a hysteresis curve of a ferromagnetic material of the prior art
  • FIG.2 Figure 2 schematically shows an example of a piezoelectric device according to the invention comprising a tuning device according to the invention
  • FIG. 3 schematically represents a magnetic core of a tuning device according to the invention
  • FIG. 4 already described schematically represents a hysteresis curve of a nanocrystalline ferromagnetic material
  • FIG. 5 schematically represents a magnetic core of a tuning device according to the invention
  • FIG.6 Figure 6 schematically shows a second example of a tuning device according to the invention.
  • FIG 2 there is shown a piezoelectric device 1 according to the invention comprising an example of tuning device 2 according to the invention.
  • the piezoelectric device 1 comprises a piezoelectric transducer 3, a power stage 10 intended to form an excitation signal intended to excite the piezoelectric transducer, and a tuning coil 2 mounted in parallel with the piezoelectric transducer 3
  • the power stage 10 can, for example, comprise an amplifier as in FIG. 2 and / or a power converter, for example an inverter.
  • the piezoelectric device comprises several piezoelectric transducers.
  • the tuning frequency is the mechanical resonance frequency of the piezoelectric transducer.
  • the tuning coil 2 comprises, as visible in Figure 3, a toric magnetic core 4 comprising a magnetic part 5 based on a nanocrystalline ferromagnetic material and at least one winding 6 of an element conductor formed around the toroidal magnetic core 4.
  • Figure 4 shows, with the same scale as Figure 1, the magnetic hysteresis of the induction B as a function of the magnetic field H applied to a nanocrystalline material and therefore of the current I passing through.
  • the induction corresponding substantially to the slope of one of the branches B1, B2 of the hysteresis shown in Figure 4, is fixed and independent of the H field and therefore of the current between the two saturations represented SAT1, SAT2.
  • This characteristic is favorable to the agreement of the inductance of the coil with the capacity of the transducer at a predetermined frequency because the inductance is constant, that is to say fixed, over this area of the curve.
  • the slope between the saturations is fixed, the saturation occurs suddenly and in a predictable and reproducible manner, which makes it possible to calculate it easily.
  • nanocrystalline material makes it possible to obtain tuning circuits of size and reduced mass (there is a factor 2 in volume and in mass compared to toroids in iron alloy powder MPP, Sendust etc.) due to the high level that induction can reach.
  • the saturation of the nanocrystalline material occurs above 1, 2T without the inductance value having varied appreciably, while in this type of applications, the materials used in the prior art must be used in their linear area, ie most often below 0.5T.
  • Another favorable characteristic of nanocrystalline materials is their low level of iron losses.
  • the nanocrystalline ferromagnetic material can be an iron alloy. It is for example an alloy of FeCuMSiB type composition where M is a transition metal, for example Nb.
  • a widely used composition is of the type: Fe73.5Cu1 Nb3SixB22.5-x and contain 13.5% or 16.5% of silicon.
  • Fe73.5Cu1 Nb3SixB22.5-x A widely used composition is of the type: Fe73.5Cu1 Nb3SixB22.5-x and contain 13.5% or 16.5% of silicon.
  • Fe73.5Cu1 Nb3SixB22.5-x A widely used composition is of the type: Fe73.5Cu1 Nb3SixB22.5-x and contain 13.5% or 16.5% of silicon.
  • Fe73.5Cu1 Nb3SixB22.5-x In this family, iron-silicon crystals are embedded in an amorphous residual matrix. The crystals have dimensions of the order of a nanometer.
  • Other materials of FeMB type can be used. They generally contain more than 80% iron,
  • the ferromagnetic nanocrystalline materials have a relative magnetic permeability which can be in a wide range of values ranging from 200 to 500,000 depending on the material chosen and the treatment undergone by this material. Heat treatments can, for example, reduce the magnetic permeability of a material.
  • the tuning coils are intended to store energy, and in the majority of cases the ferromagnetic core should not exceed a relative permeability of 100. Those skilled in the art are therefore diverted from the use of nanocrystalline materials to make tuning coils.
  • the toric magnetic core 4 comprises a set of at least one air gap 7 made of non-magnetic material.
  • air gap is meant here localized air gap. This characteristic makes it possible to reduce the total permeability of the magnetic core, which allows energy storage and the use of the coil to achieve tuning despite the significant value of the relative permeability of ferromagnetic nanocrystalline materials.
  • the toroidal magnetic core 4 is obtained by spiraling a strip of nanocrystalline material which makes it possible to obtain a torus in the form of a spiral of a strip of nanocrystalline material.
  • the air gap 7 is then obtained by cutting the torus so as to form a free volume 8, visible in FIG. 5.
  • the remainder of the torus forms the magnetic part 5 of the magnetic core 4.
  • the section of the torus is, for example , produced by a diamond disc or a diamond wheel.
  • the cutting of the torus is carried out after impregnation and / or coating in an organic resin.
  • a tool ensures the mechanical maintenance of the spiral during cutting in order to prevent the latter from bursting.
  • a shim 9 made of non-magnetic material is inserted into the free volume 8 so as to obtain the air gap and to avoid any deformation of the torus and the air gap because it is the precision of the dimensions of this air gap and in particular of its thickness which predominantly determines the value of the inductance.
  • the thickness of the shim 9 is calibrated and corresponds to the thickness e of the air gap that it is desired to obtain.
  • the free volume 8 may have a thickness slightly less than the thickness e that one wishes to obtain.
  • the shim 9 can be inserted by slightly deforming the free volume 8 during its assembly.
  • the wedge 9 can completely fill the free volume 8.
  • the wedge 9 only partially fills the free volume 8
  • a non-magnetic filling material is then advantageously inserted into the rest of the free volume so that the magnetic core has a substantially fixed section which prevents the winding from coming into this volume.
  • a non-magnetic glue is injected into the free volume and is shaped by a mold configured so that the glue completely fills the free volume and so that the magnetic core 4 has a constant section.
  • the toric magnetic core may include several air gaps.
  • the method then comprises several cutting steps, simultaneous or not, so as to produce several free volumes intended to form the localized air gaps.
  • the magnetic part of the magnetic core then comprises several sections separated in pairs by a localized air gap.
  • the presence of several air gaps improves the energy storage capacity of the tuning coil by reducing the magnetic permeability of the magnetic core compared to a single localized air gap of the same volume. This is of considerable interest for the use of ferromagnetic nanocrystalline materials with high magnetic permeability, more standardized. Furthermore, the production of several air gaps of small volume (small thickness or angular sector of reduced size) is more advantageous from the point of view of energy storage than the production of a single air gap of volume corresponding to the sum of the volumes of the air gaps, that is to say whose angular sector (or thickness) is the sum of the angular sectors (or thicknesses) of the plurality of air gaps.
  • each air gap is defined so that the coefficient of lateral development of the magnetic field lines (called “fringing factor" in English terminology) of each air gap is less than 2.
  • the air gaps may have the same dimensions or the air gaps may have different dimensions.
  • the magnetic core 4 comprises a single air gap when the nanocrystalline material has low magnetic permeability and several air gaps when the nanocrystalline material has a higher magnetic permeability.
  • the fact of providing several air gaps makes it possible to use nanocrystalline toroids of high permeability which can remain inexpensive to form the magnetic core by making the air gaps therein.
  • the invention has been described in the context of a coil type tuning device.
  • the coil can be mounted in parallel with the piezoelectric transducer, as in Figure 2, or in series with the latter.
  • the capacity C is the equivalent capacity of the transducer in the Rp-Cp type model in which the transducer is modeled by a resistor in parallel with a capacitor.
  • the equivalent capacity C is the equivalent capacity of the transducer in the Rs-Cs type model in which the transducer is modeled by a resistor in series with a capacitor.
  • the equivalent capacity is the capacity of the set of transducers in one of the models.
  • the tuning device is of the adaptation transformer type 20 configured to adapt the input voltage U1 of the power stage 10, the voltage U2 of the piezoelectric transducer, the tuning inductance L being the magnetizing inductance Lm of the matching transformer.
  • the transformer 20 can be modeled by a perfect transformer 21 and a tuning coil 22 mounted in parallel with the piezoelectric transducer 3, as shown in FIG. 6.
  • the tuning device or transformer 20 then has a double tuning function and adaptation.
  • the transformer can be an autotransformer or include at least two windings made around the magnetic core 4 so as to form the primary and secondary of the transformer.
  • the transformation ratio m of the transformer is defined to allow adaptation between U1 and U2.
  • the power stage is advantageously a current generator and in the case where the tuning coil is mounted in parallel, the power stage is a voltage generator, just as in the case where the tuning device is a tuning and adaptation transformer.
  • the tuning device is configured so that the tuning inductor L is substantially fixed over an induction range extending from 0 Tesla (T) to a maximum value greater than or equal to 1 Tesla (T), that is to say when it is subjected to an induction included in this range.
  • T 0 Tesla
  • T 1 Tesla
  • the tuning inductor L must be substantially fixed on an undulation of the excitation current of the piezoelectric transducer. This avoids distortions of the signal generated by the piezoelectric transducer as a function of the value of the current and therefore makes it possible to control this signal which is essential for carrying out sonar measurements.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Dispositif d'accord présentant (100) une inductance d'accord (22) destinée à être accordée avec une capacité d'un ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique (3) à une fréquence d'utilisation de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique, le dispositif d'accord comprenant un noyau magnétique torique (4) comprenant une partie magnétique (5) à base d'un matériau ferromagnétique nanocristallin, un ensemble d'au moins un entrefer (7) en matériau amagnétique et au moins un enroulement d'un élément conducteur réalisé autour du noyau magnétique torique.

Description

Description
Titre de l'invention : Dispositif d’accord
[0001 ] Le domaine de l’invention est celui des dispositifs d’accord. Ces dispositifs trouvent une utilité pour l’alimentation des transducteurs piézoélectriques, notamment dans le domaine des sonars, par exemple des antennes d’émission d’ondes acoustiques.
[0002] La nature capacitive d’un transducteur piézoélectrique représente une difficulté majeure pour son alimentation. En effet, certains transducteurs « consomment » une puissance réactive qui peut-être plus de cinq fois supérieure à leur maximum de puissance active (i.e. ce qui est réellement transmis dans l’eau). Il est ainsi indispensable de limiter le niveau de la puissance réactive fournie pour l’alimentation d’un ou plusieurs transducteur(s) piézo-électrique(s) afin d’éviter de sur-dimensionner les étages de puissance placés en amont. Or, pour maximiser la puissance émise par le transducteur, il est judicieux de l’exciter électriquement à sa fréquence de résonance mécanique. L’ajout, en amont du transducteur, d’une inductance dont la valeur est accordée avec la capacité du transducteur à une fréquence proche de la résonance mécanique du transducteur permet de réaliser un ensemble ne consommant que de la puissance active et minimise ainsi le dimensionnement des convertisseurs.
[0003] Un transformateur élévateur peut aussi être prévu pour adapter le niveau de tension de la source à celui du transducteur piézoélectrique. L’inductance magnétisante de ce dernier peut également servir d’inductance d’accord.
[0004] Dans le domaine des antennes d’émission sonars, l’obtention d’émissions directionnelles nécessite de pouvoir régler la phase et l’amplitude pour chaque transducteur, d’où la nécessité d’associer un amplificateur à chaque transducteur ou groupe de transducteurs. Une bobine d’accord doit être prévue entre chaque amplificateur et son ou ses transducteur(s). Par ailleurs, afin de limiter la distance sur laquelle circule la puissance réactive, il est préférable d’installer ce dispositif d’accord au plus près du transducteur mais des considérations pratiques peuvent conduire à l’intégrer sur une même carte électronique que l’étage de puissance destiné à exciter le transducteur piézoélectrique.
[0005] Jusqu’à quelques dizaines de kHz, les circuits magnétiques des bobines d’accord de l’art antérieur sont le plus souvent des circuits standards, comme des tores en matériau ferromagnétique du type poudre d’alliage de fer noyée dans une matrice organique, de type MPP, Sendust etc. ou des circuits de ferrite avec un entrefer. Ces circuits magnétiques sont lourds et volumineux donc peu adaptés à l’intégration de plusieurs bobines d’accord sur une même carte électronique.
[0006] Par ailleurs, comme visible sur la figure 1 représentant la courbe d’hystérésis magnétique de l’induction B en fonction du champ magnétique d’un matériau ferromagnétique de l’art antérieur, l’inductance L, correspondant sensiblement à la pente de la courbe représentée sur la figure 1 , varie avec le champ H et donc le courant I. Cette caractéristique est défavorable à l’accord de l’inductance avec la capacité du transducteur piézoélectrique à une fréquence prédéterminée avec une large dynamique de puissance émise.
[0007] Un but de l’invention est de limiter au moins un des inconvénients précités.
[0008] A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif d’accord présentant une inductance d’accord destinée à être accordée avec une capacité d’un ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique à une fréquence d’utilisation de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique, le dispositif d’accord comprenant un noyau magnétique torique comprenant une partie magnétique à base d’un matériau ferromagnétique nanocristallin, un ensemble d’au moins un entrefer en matériau amagnétique et au moins un enroulement d’un élément conducteur réalisé autour du noyau magnétique torique.
[0009] Avantageusement, le noyau magnétique torique peut comprendre un unique entrefer ou plusieurs entrefers.
[0010] Avantageusement, chaque entrefer est dimensionné de sorte que le coefficient d’épanouissement latéral des lignes de champ magnétique de chaque entrefer soit inférieur ou égal à 2. [0011 ] Dans un premier mode de réalisation, le dispositif d’accord est une bobine de mode différentiel.
[0012] Dans un deuxième mode de réalisation, le dispositif d’accord est un transformateur d’adaptation permettant d’accorder une tension d’entrée du transformateur avec une tension d’entrée du transducteur piézoélectrique, l’inductance d’accord étant l’inductance magnétisante du transformateur.
[0013] Avantageusement, l’inductance d’accord est sensiblement fixe sur une plage d’induction s’étendant de 0 T à 1 T.
[0014] Avantageusement, la fréquence d’utilisation est comprise entre 4000 Hz et 7000 Hz.
[0015] L’invention se rapporte également à un dispositif piézoélectrique comprenant le dispositif d’accord selon l’invention et l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique, l’inductance d’accord étant accordée avec une capacité de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique à une fréquence d’utilisation de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique.
[0016] La fréquence d’utilisation est comprise dans un intervalle de fréquences comprenant la fréquence de résonnance de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique.
[0017] Dans un mode particulier de réalisation, la fréquence d’utilisation est sensiblement la fréquence de résonance mécanique du transducteur piézoélectrique.
[0018] Le dispositif d’accord peut être une bobine de mode différentiel montée en parallèle ou en série avec l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique. En variante, le dispositif d’accord est un transformateur d’adaptation permettant d’adapter une tension d’entrée du transformateur avec une tension d’entrée de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique, l’inductance d’accord étant l’inductance magnétisante du transformateur.
[0019] Avantageusement, le dispositif piézoélectrique comprend un étage de puissance destiné à exciter d’au moins un transducteur piézoélectrique via le dispositif d’accord. [0020] Avantageusement, l’étage de puissance et le dispositif d’accord sont montés sur une même carte électronique.
[0021 ] L’invention se rapporte également à une antenne sonar comprenant un dispositif piézoélectrique selon l’invention. Le transducteur piézoélectrique est un transducteur électroacoustique.
[0022] [Fig.1 ] La figure 1 déjà décrite représente schématiquement une courbe d’hystérésis d’un matériau ferromagnétique de l’art antérieur,
[0023] [Fig.2] La figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif piézoélectrique selon l’invention comprenant un dispositif d’accord selon l’invention,
[0024] [Fig.3] La figure 3 représente schématiquement un noyau magnétique d’un dispositif d’accord selon l’invention,
[0025] [Fig.4] La figure 4 déjà décrite représente schématiquement une courbe d’hystérésis d’un matériau ferromagnétique nanocristallin,
[0026] [Fig.5] La figure 5 représente schématiquement un noyau magnétique d’un dispositif d’accord selon l’invention,
[0027] [Fig.6] La figure 6 représente schématiquement un deuxième exemple de dispositif d’accord selon l’invention.
[0028] En figure 2, on a représenté un dispositif piézoélectrique 1 selon l’invention comprenant un exemple de dispositif d’accord 2 selon l’invention.
[0029] Le dispositif piézoélectrique 1 comprend un transducteur piézoélectrique 3, un étage de puissance 10 destiné à mettre en forme un signal d’excitation destiné à exciter le transducteur piézoélectrique, et une bobine d’accord 2 montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique 3. L’étage de puissance 10 peut, par exemple, comprendre un amplificateur comme en figure 2 et/ou convertisseur de puissance, par exemple un onduleur.
[0030] En variante, le dispositif piézoélectrique comprend plusieurs transducteurs piézoélectriques.
[0031 ] De préférence, la fréquence d’accord est la fréquence de résonance mécanique du transducteur piézoélectrique. [0032] Selon l’invention, la bobine d’accord 2 comprend, comme visible en figure 3, un noyau magnétique torique 4 comprenant une partie magnétique 5 à base d’un matériau ferromagnétique nanocristallin et au moins un enroulement 6 d’un élément conducteur réalisé autour du noyau magnétique torique 4.
[0033] La figure 4 représente, avec une même échelle que la figure 1 , l’hystérésis magnétique de l’induction B en fonction du champ magnétique H appliqué sur un matériau nanocristallin et donc du courant I le traversant. Pour rappel, l’induction B est donnée par B=d (<|))/dt= d(L*l)/dt =L*dl/dt quand L est constante (et H=N*I/Le), avec "Le" est la longueur du circuit magnétique, "N" est le nombre de spires et "L" est la valeur de l’inductance.
[0034] L’induction, correspondant sensiblement à la pente d’une des branches B1 , B2 de l’hystérésis représenté en figure 4, est fixe et indépendante du champ H et donc du courant entre les deux saturations représentées SAT1 , SAT2. Cette caractéristique est favorable à l’accord de l’inductance de la bobine avec la capacité du transducteur à une fréquence prédéterminée car l’inductance est constante, c’est à dire fixe, sur ce domaine de la courbe. Par ailleurs, comme la pente entre les saturations est fixe, la saturation se produit brutalement et de façon prédictible et reproductible, ce qui permet de la calculer aisément.
[0035] L’utilisation d’un matériau nanocristallin permet d’obtenir des circuits d’accord de taille, et de masse réduites (on constate un facteur 2 en volume et en masse par rapport à des tores en poudre d’alliage de fer de type MPP, Sendust etc.) du fait du niveau élevé que peut atteindre l’induction. La saturation du matériau nanocristallin intervient au-dessus de 1 ,2T sans que la valeur d’inductance ait sensiblement varié, alors que dans ce type d’applications, les matériaux utilisés dans l’art antérieur doivent être utilisés dans leur zone linéaire, soit le plus souvent en-dessous de 0,5T. Une autre caractéristique favorable des matériaux nanocristallin est leur faible niveau de pertes fer.
[0036] Ces caractéristiques (valeur d’inductance indépendante du courant, faible pertes, masse et volume réduits) font des matériaux nanocristallins une technologie particulièrement adaptée à la fonction d’accord, notamment pour la réalisation de sonars directifs qui associent un grand nombre de canaux d’émission. [0037] Le matériau ferromagnétique nanocristallin peut être un alliage de fer. Il s’agit par exemple d’un alliage de composition de type FeCuMSiB où M est un métal de transition, par exemple le Nb. Une composition largement utilisée est du type : Fe73.5Cu1 Nb3SixB22.5-x et contiennent 13.5% ou 16.5% de silicium. Dans cette famille, des cristaux de fer-silicium sont noyés dans une matrice résiduelle amorphe. Les cristaux ont des dimensions de l’ordre du nanomètre. D’autres matériaux de type FeMB peuvent être utilisés. Ils contiennent généralement plus de 80% de fer, 7% de métal de transition et le complément en bore. Les matériaux de cette famille comprennent des nano cristaux de fer pur.
[0038] Il est à noter que les matériaux nanocristallins ferromagnétiques présentent une perméabilité magnétique relative pouvant se situer dans une large gamme de valeurs allant de 200 à 500 000 suivant le matériau choisi et le traitement subi par ce matériau. Des traitements thermiques permettent, par exemple, de réduire la perméabilité magnétique d’un matériau. Or, les bobines d’accord sont destinées à stocker de l’énergie, et dans la majorité des cas le noyau ferromagnétique ne devrait pas dépasser une perméabilité relative de 100. L’homme du métier est donc détourné de l’utilisation de matériaux nanocristallins pour réaliser des bobines d’accord.
[0039] Selon l’invention, le noyau magnétique torique 4 comprend un ensemble d’au moins un entrefer 7 en matériau amagnétique. Par entrefer, on entend ici entrefer localisé. Cette caractéristique permet de réduire la perméabilité totale du noyau magnétique ce qui permet le stockage de l’énergie et l’utilisation de la bobine pour réaliser l’accord malgré la valeur importante de la perméabilité relative des matériaux nanocristallins ferromagnétiques.
[0040] Le noyau magnétique torique 4 est obtenu en spiralant une bande de matériau nanocristallin ce qui permet d’obtenir un tore sous forme d’une spirale d’une bande de matériau nanocristallin.
[0041 ] L’entrefer 7 est ensuite obtenu en sectionnant le tore de sorte à former un volume libre 8, visible en figure 5. Le restant du tore forme la partie magnétique 5 du noyau magnétique 4. La section du tore est, par exemple, réalisée par un disque diamanté ou une meule diamant. [0042] De préférence, pour éviter d’altérer le matériau, la coupe du tore est réalisée après imprégnation et/ou enrobage dans une résine organique.
[0043] En sus ou en variante, un outillage assure le maintien mécanique de la spirale lors de la coupe afin d’éviter l’éclatement de cette dernière.
[0044] Avantageusement, une cale 9 en matériau amagnétique est insérée dans le volume libre 8 de sorte à obtenir l’entrefer et à éviter toute déformation du tore et de l’entrefer car c’est la précision des dimensions de cet entrefer et notamment de son épaisseur qui détermine de façon prépondérante la valeur de l’inductance. L’épaisseur de la cale 9 est calibrée et correspond à l’épaisseur e de l’entrefer que l’on souhaite obtenir.
[0045] Le volume libre 8 peut présenter une épaisseur légèrement inférieure à l’épaisseur e que l’on souhaite obtenir. La cale 9 peut être insérée en déformant légèrement le volume libre 8 lors de son montage.
[0046] La cale 9 peut remplir complètement le volume libre 8. En variante, la cale 9 remplit seulement partiellement le volume libre 8, un matériau de remplissage amagnétique est alors avantageusement inséré dans le restant du volume libre de façon que le noyau magnétique présente une section sensiblement fixe ce qui empêche l’enroulement de venir pénétrer dans ce volume.
[0047] En variante, une colle amagnétique est injectée dans le volume libre et est conformée par un moule configuré pour que la colle remplisse totalement le volume libre et pour que le noyau magnétique 4 présente une section constante.
[0048] En variante, le noyau magnétique torique peut comprendre plusieurs entrefers.
Le procédé comprend alors plusieurs étapes de coupe, simultanées ou non, de sorte à réaliser plusieurs volumes libres destinés à former les entrefers localisés. La partie magnétique du noyau magnétique comprend alors plusieurs tronçons séparés deux à deux par un entrefer localisé.
[0049] La présence de plusieurs entrefers permet d’améliorer la capacité de stockage de l’énergie de la bobine d’accord en faisant diminuer la perméabilité magnétique du noyau magnétique par rapport à un seul entrefer localisé de même volume. Cela présente un intérêt non négligeable pour l’utilisation de matériaux nanocristallins ferromagnétiques de perméabilité magnétique élevée, plus standardisés. Par ailleurs, la réalisation de plusieurs entrefers de volume faible (faible épaisseur ou secteur angulaire de taille réduite) est plus intéressante du point de vue du stockage d’énergie que la réalisation d’un seul entrefer de volume correspondant à la somme des volumes des entrefers, c'est- à-dire dont le secteur angulaire (ou l’épaisseur) est la somme des secteurs angulaires (ou épaisseurs) de la pluralité d’entrefers. En effet, dans ce dernier cas, la valeur du coefficient d’épanouissement latéral des lignes de champ dans les entrefers (« fringing factor » en anglais) augmente. En effet, l’augmentation de l’épaisseur d’un entrefer conduit à une augmentation de la section apparente de celui-ci (par épanouissement des lignes de champ), suivant une loi logarithmique ; ce phénomène limite la réduction attendue de la valeur de l’induction (F = B. S, avec F le flux, B l’induction et S la section) et augmente les pertes par effet de proximité (les spires au droit de l’entrefer sont prises dans le flux qui n’est plus convenablement canalisé).
[0050] Avantageusement, afin d’optimiser le stockage de l’énergie, les dimensions de chaque entrefer sont définies de façon que le coefficient d’épanouissement latéral des lignes de champ magnétique (appelé « fringing factor » en terminologie anglo-saxonne) de chaque entrefer soit inférieur à 2.
[0051 ] Les entrefers peuvent présenter les mêmes dimensions ou des entrefers peuvent présenter des dimensions différentes.
[0052] Avantageusement, le noyau magnétique 4 comprend un seul entrefer lorsque le matériau nanocristallin présente une perméabilité magnétique faible et plusieurs entrefers lorsque le matériau nanocristallin présente une perméabilité magnétique plus élevée. Le fait de prévoir plusieurs entrefers permet d’utiliser des tores nanocristallins de perméabilité élevée qui peuvent rester bon marché pour former le noyau magnétique en y réalisant les entrefers.
[0053] L’homme du métier détermine le nombre d’entrefers et leurs dimensions en fonction de la perméabilité magnétique du matériau nanocristallin, du coefficient d’épanouissement latéral des lignes de champ magnétique maximal souhaité et de l’inductance souhaitée.
[0054] L’invention a été décrite dans le cadre d’un dispositif d’accord du type bobine. [0055] La bobine peut être montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique, comme en figure 2, ou en série avec ce dernier.
[0056] L’inductance L d’accord est donnée par : L = 1/ (C*œ2) où C est une capacité équivalente du transducteur piézoélectrique à la fréquence d’accord et w, exprimée en radian par seconde, la pulsation propre w à la fréquence d’accord f, exprimée en hertz. La pulsation propre est reliée la fréquence d’accord par la formule suivante : w = 2*TT*L
[0057] Lorsque la bobine est montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique, la capacité C est la capacité équivalente du transducteur dans le modèle du type Rp-Cp dans lequel le transducteur est modélisé par une résistance en parallèle avec un condensateur.
[0058] Lorsque la bobine est montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique, la capacité équivalente C est la capacité équivalente du transducteur dans le modèle du type Rs-Cs dans lequel le transducteur est modélisé par une résistance en série avec un condensateur.
[0059] Dans le cas où la bobine est montée en série ou parallèle avec un ensemble de transducteurs piézoélectriques, la capacité équivalente est la capacité de l’ensemble de transducteurs dans l’un des modèles.
[0060] Dans une variante du dispositif piézoélectrique 100, représentée en figure 6, le dispositif d’accord est du type transformateur d’adaptation 20 configuré pour adapter la tension d’entrée U1 de l’étage de puissance 10, la tension U2 du transducteur piézoélectrique, l’inductance d’accord L étant l’inductance magnétisante Lm du transformateur d’adaptation. Le transformateur 20 peut être modélisé par un transformateur parfait 21 et une bobine d’accord 22 montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique 3, comme représenté en figure 6. Le dispositif d’accord ou transformateur 20 présente alors une double fonction d’accord et d’adaptation.
[0061 ] Le transformateur peut être un autotransformateur ou comprendre au moins deux enroulements réalisés autour du noyau magnétique 4 de sorte à former le primaire et le secondaire du transformateur. Le rapport de transformation m du transformateur est défini pour permettre l’adaptation entre U1 et U2. [0062] Dans le cas où la bobine d’accord 2 est montée en série, l’étage de puissance est avantageusement un générateur de courant et dans le cas où la bobine d’accord est montée en parallèle, l’étage de puissance est un générateur de tension, tout comme dans le cas où le dispositif d’accord est un transformateur d’accord et d’adaptation.
[0063] Avantageusement, le dispositif d’accord est configuré de façon que l’inductance d’accord L soit sensiblement fixe sur une plage d’induction s’étendant de 0 Tesla (T) jusqu’à une valeur maximale supérieure ou égale à 1 Tesla (T), c’est-à-dire lorsqu’elle est soumise à une induction comprise dans cette plage. En effet, l’inductance d’accord L doit être sensiblement fixe sur une ondulation du courant d’excitation du transducteur piézoélectrique. Cela permet d’éviter les distorsions du signal généré par le transducteur piézoélectrique en fonction de la valeur du courant et permet donc de maîtriser ce signal ce qui est indispensable pour la réalisation de mesures sonar.
[0064] Dans le domaine des antennes sonar, l’accord est réalisé à une fréquence d’utilisation comprise entre 4000 Hz et 7000 Hz. A ces faibles fréquences, la masse d’un noyau magnétique de l’art antérieur peut s’avérer très élevée. En effet, la nécessité de conserver une courbe d’aimantation linéaire imposerait de travailler très loin de la saturation, donc d’augmenter encore la masse de matériau magnétique.

Claims

Revendications
[Revendication 1 ] Dispositif d’accord (2 ; 20) présentant une inductance d’accord (L) destinée à être accordée avec une capacité d’un ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique (3) à une fréquence d’utilisation de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique (3), le dispositif d’accord (2 ;20) comprenant un noyau magnétique torique (4) comprenant une partie magnétique (5) à base d’un matériau ferromagnétique nanocristallin, un ensemble d’au moins un entrefer (7) en matériau amagnétique et au moins un enroulement d’un élément conducteur (6) réalisé autour du noyau magnétique torique (4).
[Revendication 2] Dispositif d’accord (2, 20) selon la revendication 1 , dans lequel l’inductance d’accord (L) est sensiblement fixe sur une plage d’induction s’étendant de 0 T à 1 T.
[Revendication 3] Dispositif d’accord selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fréquence d’utilisation est comprise entre 4000 Hz et 7000 Hz.
[Revendication 4] Dispositif d’accord (2 ; 20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau magnétique torique (4) comprend un unique entrefer (7).
[Revendication 5] Dispositif d’accord (2 ; 20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le noyau magnétique torique (4) présente plusieurs entrefers.
[Revendication 6] Dispositif d’accord (2 ; 20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque entrefer (7) est dimensionné de sorte que le coefficient d’épanouissement latéral des lignes de champ magnétique de chaque entrefer soit inférieur ou égal à 2.
[Revendication 7] Dispositif d’accord (2 ; 20) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif d’accord (2) est une bobine de mode différentiel.
[Revendication 8] Dispositif d’accord (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, le dispositif d’accord étant un transformateur transformateur d’adaptation (20) permettant d’adapter une tension d’entrée du transformateur avec une tension d’entrée du transducteur piézoélectrique, l’inductance d’accord (L) étant l’inductance magnétisante du transformateur.
[Revendication 9] Dispositif piézoélectrique (1 ; 100) comprenant le dispositif d’accord (2 ; 20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, et l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique (3), l’inductance d’accord (L) étant accordée avec une capacité de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique (3) à une fréquence d’utilisation de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique (3).
[Revendication 10] Dispositif piézoélectrique (1 ; 100) selon la revendication précédente, dans laquelle la fréquence d’utilisation est sensiblement la fréquence de résonance mécanique du transducteur piézoélectrique (3).
[Revendication 1 1] Dispositif piézoélectrique (1 ) selon l’une quelconque des revendications 9 et 10, dans lequel le dispositif d’accord est une bobine de mode différentiel (2) montée en parallèle ou en série avec l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique (3).
[Revendication 12] Dispositif piézoélectrique (100) selon l’une quelconque des revendications 9 et 10, dans lequel le dispositif d’accord est un transformateur d’adaptation (20) permettant d’adapter une tension d’entrée du transformateur avec une tension d’entrée de l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique, l’inductance d’accord (L) étant l’inductance magnétisante (Lm) du transformateur.
[Revendication 13] Dispositif piézoélectrique (1 ; 100) selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, comprenant un étage de puissance (10) destiné à exciter l’ensemble d’au moins un transducteur piézoélectrique, en énergie électrique via le dispositif d’accord (2 ; 20).
[Revendication 14] Dispositif piézoélectrique selon la revendication précédente dans lequel l’étage de puissance et le dispositif d’accord sont montés sur une même carte électronique.
[Revendication 15] Antenne sonar comprenant un dispositif piézoélectrique selon la revendication précédente. )
EP19829585.9A 2018-12-20 2019-12-20 Dispositif d'accord Pending EP3900062A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1873486A FR3091031B1 (fr) 2018-12-20 2018-12-20 Dispositif d'accord
PCT/EP2019/086570 WO2020127903A1 (fr) 2018-12-20 2019-12-20 Dispositif d'accord

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3900062A1 true EP3900062A1 (fr) 2021-10-27

Family

ID=66867255

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19829585.9A Pending EP3900062A1 (fr) 2018-12-20 2019-12-20 Dispositif d'accord

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3900062A1 (fr)
FR (1) FR3091031B1 (fr)
WO (1) WO2020127903A1 (fr)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5342745B2 (ja) * 2003-04-02 2013-11-13 バクームシュメルツェ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニ コマンディートゲゼルシャフト 鉄心とその製造および使用方法
JP5212028B2 (ja) * 2008-11-10 2013-06-19 日本電気株式会社 送波器とその駆動方法
JP2014003731A (ja) * 2012-06-15 2014-01-09 Canon Inc 振動型アクチュエータの駆動装置及びこれを用いた医用システム

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020127903A1 (fr) 2020-06-25
FR3091031A1 (fr) 2020-06-26
FR3091031B1 (fr) 2020-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0563373B1 (fr) Circuit separateur-coupleur directif pour courants porteurs a frequence moyenne sur ligne electrique a basse tension
EP2293308B1 (fr) Dispositif de mesure électrique comprenant un tore magnétique d&#39;un matériau nanocristallin
CA2968791A1 (fr) Module elementaire de noyau magnetique de transformateur electrique, noyau magnetique le comportant et son procede de fabrication, et transformateur le comportant
EP2888747B1 (fr) Dispositif de puissance bobine comportant un enroulement d&#39;un premier bobinage et un enroulement d&#39;un deuxieme bobinage qui enveloppent une meme portion d&#39;une jambe de noyau magnetique
FR2502834A1 (fr) Noyau de transformateur differentiel pour courants pulsatoires et interrupteur de protection contre des courants de fuite utilisant un tel noyau
EP3900062A1 (fr) Dispositif d&#39;accord
EP3033755B1 (fr) Composant ferrite pour application de puissance et procede de fabrication du composant
WO2002084860A1 (fr) Etage d&#39;un generateur de puissance d&#39;un courant haute frequence
CN104599826B (zh) 一种可实现三态非易失性调制的电感及其调制方法
US11610718B2 (en) Electrical inductor device
FR3076391A1 (fr) Dispositif de filtrage inductif a noyau magnetique torique
FR3142851A1 (fr) Module de variation d&#39;une inductance et filtre radiofréquence comportant un tel module
EP3186894B1 (fr) Dispositif comprenant un poste de radiocommunication
EP1178504A1 (fr) Microcomposant du type micro-inductance ou microtransformateur
KR20150130859A (ko) 전력이득 증강 기법을 이용한 고주파 증폭기 설계방법 및 고주파 증폭기
US20190115898A1 (en) Filters with Virtual Inductor
EP3516736A1 (fr) Antenne à tiges ferromagnétiques bobinées et couplées entre elles
FR2696296A1 (fr) Amplificateur de puissance push-pull contre-réactionné par transformateurs en ondes métriques.
FR3154563A1 (fr) Circuit électronique
FR2576447A1 (fr) Dispositif de lignes de transmission de courants faibles attenuant les parasites
CH689765A5 (fr) Procédé et dispositif pour la mesure de composantes dynamiques d&#39;un courant électrique en présence d&#39;une composante continue.
FR3130091A1 (fr) Transducteur électromagnétique pour la récupération d’énergie vibratoire
FR2469786A1 (fr) Magneto-inductance a haute sensibilite a variation proportionnelle a la valeur du champ magnetique
BE472935A (fr)
Kim et al. Dimensional effect of terminal electroes on resonance frequencies in glass coated Co67Fe3. 8Ni1. 4B11. 5Si14. 6Mo1. 7 microwires

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20210524

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20250123