EP4627606A1 - Procédé de fabrication d'un noyau magnétique comprenant un élément enfermé dans un bras - Google Patents

Procédé de fabrication d'un noyau magnétique comprenant un élément enfermé dans un bras

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EP4627606A1
EP4627606A1 EP23820975.3A EP23820975A EP4627606A1 EP 4627606 A1 EP4627606 A1 EP 4627606A1 EP 23820975 A EP23820975 A EP 23820975A EP 4627606 A1 EP4627606 A1 EP 4627606A1
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EP
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arm
arms
magnetic core
core
magnetic
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Application number
EP23820975.3A
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English (en)
Inventor
Jean Sylvio NGOUA TEU MAGAMBO
Pierre Jean SALLOT
Karine NGUYEN
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to magnetic cores, that is, magnetic parts configured to channel magnetic field lines and magnetically couple with another magnetic core.
  • magnetic cores are used in particular in power electronics in multi-phase couplers of a motor driving a turbomachine shaft.
  • the magnetic cores currently used can be designed by uniaxial compression or by powder injection molding (also known as powder injection molding or PIM). These processes require a mold and consequently limit the geometries of the manufactured cores to demoldable parts. These two processes require a mold for each geometry and are suitable for large series production.
  • An aim of the invention is to propose a process for manufacturing magnetic cores allowing greater freedom of shape of the manufactured cores.
  • the arm is included in a plurality of arms of the magnetic core, the plurality of arms being arranged along edges of a convex polyhedron, each arm forming a right cylinder, and
  • the junction part is included in a plurality of junction parts of the magnetic core, each junction part being located at a vertex of the polyhedron.
  • the printing of the first part and the second part is carried out from a spinel ferrite powder by jet of binder or by deposition of molten material;
  • the printing of the first part and the second part is carried out by binder jet, the process comprising before the insertion step a step of removing grains of powder separated from the core;
  • FIGS. 14 and 15 are schematic representations of a type of arm of a magnetic core in a radial section in Figure 14 and an axial section in Figure
  • - Figures 16 and 17 are schematic representations of a type of arm of a magnetic core in a radial section in Figure 16 and an axial section in Figure 17,
  • Each arm can be the seat of a magnetic coupling between two conductive wires wound around the arm. More generally, it may be possible to couple two windings of conductive wire which are located around different arms, such as arms connected by the same junction piece or even arms more spatially distant from each other in the core.
  • the convex polyhedron structure of the magnetic cores presented here allows a wide variety of shapes of these cores.
  • Such a core can couple many different electrical windings and with different coupling strengths. It is thus possible to produce within a single magnetic core different magnetic couplings which in the prior art would require a plurality of magnetic cores.
  • the arms of the magnetic core can be of different types.
  • an arm 301 can be a solid ferrite cylinder which extends along a main axis ⁇ .
  • the arm 301 has no hollow or cavity so that the arm defines a cylinder volume entirely filled with magnetic material.
  • Figure 2 is a radial section of the arm, that is to say a section in a plane orthogonal to the main axis A.
  • Figure 3 is an axial section of the arm, that is to say a section along a plane which contains the main axis A.
  • a solid arm of this first type is particularly suitable for producing a strong magnetic coupling between two electric wires wound around this arm.
  • a magnetic core as presented above can include one or more arms of this first type. All the arms of the core can be of this type.
  • Housing 9 contains a material 10 chosen from a phase change material and an amorphous or nanocrystalline material.
  • the arm of this second type is particularly adapted to filter temperature peaks.
  • the phase change material is chosen to be solid at the nominal operating temperature of the core, but liquid beyond that.
  • the latent heat of the material requires that significant thermal energy be supplied or removed from the material to leave this temperature level, which imposes a constant temperature on the system during this phase change, lower than that of the peak. Therefore, rapid variations in core temperature can be absorbed locally and smoothed out by repeated phase changes of the material.
  • the arm of this second type is particularly adapted to increase the magnetic permeability of the arm. This is particularly relevant if the core is used with alternating signals in certain frequency ranges. Typically in the range of a few tens of kiloHertz to a few hundred kiloHertz, ferrite cores can have a magnetic induction of less than 0.5 Tesla. The presence of the amorphous or nanocrystalline material reinforces the magnetic induction of the “arm + material in the housing” assembly. It is also possible by adding the material in the housing, to reduce the size of the core necessary to achieve a certain magnetic induction. This additional degree of freedom makes it possible to achieve an identical magnetic function with a smaller radial dimension of the arm. Certain space requirements and/or integration constraints can thus be more easily respected.
  • a magnetic core as presented above can include one or more arms of this second type. All the arms of the core can be of this second type.
  • the passage 11 is defined by an internal wall 13.
  • the internal wall 13 can have a cylindrical shape centered on the axis A, and in particular a cylindrical shape with a circular section.
  • the thickness of the arm defined between the internal wall 13 and the external wall 14 is greater than or equal to 500 pm.
  • the arm and the internal wall each have the shape of a cylinder centered on the main axis A of the cylinder, they define radii whose difference is greater than or equal to 500 pm.
  • Figure 8 represents a radial section of the arm 304 along a plane of a magnetic core in which there are two spacers.
  • Figure 9 represents an axial section of the arm 304 along a plane not intersecting the spacer(s), the passage 15 thus appears as a continuous ring around the central part 16 of the arm.
  • a hollow arm of this fourth type is particularly adapted to pass a cooling fluid through the opening passage 15 so as to cool the arm and more generally the core.
  • a magnetic core as presented above can include one or more arms of this fourth type. All the arms of the core can be of this type.
  • a hollow arm of this fifth type makes it possible to produce simultaneously or separately the technical effects associated with the arms of the second type and the fourth type.
  • a magnetic core as presented above can include one or more arms of this fifth type. All the arms of the core can be of this type.
  • the arm includes two different opening passages, each passage being through a single wall.
  • the arm therefore comprises two different walls which each define an opening passage.
  • the arm 305 has a central part 26 which is located radially between the first internal wall 25 and the second internal wall 27.
  • the central part 26 is solid, that is to say made of ferrite, and it is crossed by the axis HAS.
  • the first internal wall 25 and the second internal wall 27 each have two parts of cylindrical shape centered on the axis A, the two parts facing each other.
  • the first passage 21 and the second passage 23 then have a radial section which has the shape of a ring portion.
  • the opening passages 21 and 23 are located between the central part 26 and the peripheral part 28 of the arm 305.
  • the central part 26 and the peripheral part 28 are connected to each other by two partitions C which extend in a radial direction from the central part 26 to the peripheral part 28.
  • the partitions C extend over the entire axial length of the arm 304.
  • the partitions C separate the opening passages 21 and 23, so that on the entire axial length of the arm 304, a fluid cannot pass from one passage leading to the other.
  • the partitions C then define part of the internal walls 25 and 27.
  • Each internal wall in the preferred mode is formed of a part of the surface of each of the two partitions C and the two parts of cylindrical shape centered on the axis ⁇ in facing each other, the two parts being for each internal wall connected by the two partitions.
  • each of the central part 16, the peripheral part 18 and the opening passages 21 and 23 is greater than or equal to 500 pm.
  • the central part 16 and the peripheral part 18 each have the shape of a cylinder centered on the main axis A of the cylinder, the central part 16 and the peripheral part 18 define radii whose difference is greater than or equal to 1 millimeter .
  • a hollow arm of this sixth type is particularly adapted to pass two flows of cooling fluid through the two opening passages 21 and 23 so that each opening passage is crossed by a flow of fluid. This makes it possible to carry out cooling of the arm using two separate fluids or one fluid which passes twice through the arm.
  • a magnetic core as presented above can include one or more arms of this sixth type. All the arms of the core can be of this type.
  • a hollow arm of this seventh type makes it possible to produce simultaneously or separately the technical effects associated with the arms of the second type and the sixth type.
  • a magnetic core as presented above can include one or more arms of this seventh type. All the arms of the core can be of this type.
  • the arm may further comprise a fin which extends from the internal wall inside the passage, the fin being configured to increase a heat exchange surface area between the arm and a fluid passing through the passage.
  • the arm 302 of the third type comprises a fin 12 which extends from the internal wall 13 inside the passage 11
  • the fin 12 takes the shape of a rectangular parallelepiped which extends in the direction of the axis of the cylinder over the entire axial length of the arm 302 and is located radially in the same angular sector of the cylinder over this entire length.
  • the opening passage is a primary passage and the arm 302 of the third type houses a hollow sleeve 70 inside this first passage.
  • the hollow sleeve 70 has an interior wall 71 defining a secondary passage 72 narrower than the first passage.
  • the secondary passage 72 opens out of the arm at each end of the arm 302.
  • the secondary passage 72 extends inside the arm along the axis A from one axial end to the other.
  • the secondary passage 72 is centered on the axis ⁇ of the cylinder, the axis passing through the secondary passage.
  • the hollow sleeve 70 has an outer wall which is adjusted to the shape of the inner wall 13 of the arm 302.
  • the inner wall 71 of the hollow sleeve is preferably concentric with the inner wall 13 and of the same shape defining a uniform thickness.
  • the interior wall of the hollow sleeve may have a cylindrical shape centered on the axis ⁇ , and in particular a cylindrical shape with a circular section.
  • the thickness of the hollow sleeve defined between the internal wall 13 and the internal wall of the hollow sleeve is greater than or equal to 500 ⁇ m.
  • the hollow sleeve 70 is made of ferrite.
  • the fin can take different shapes, it can extend in different directions in the primary or secondary passage, for example helically around the axis of the cylinder.
  • the fin can also extend over only a portion of the axial length of the arm, for example the fin can extend over half or a quarter of the axial length of the primary or secondary passage.
  • the fin is configured to increase a heat exchange surface area between the arm and a fluid flowing in the primary or secondary passage. In this way, the cooling of the core by the fluid is greater.
  • the core can be connected to an external cooling system so that a fluid allowing cooling circulates in the primary or secondary opening passage(s).
  • the junction parts are then chosen to allow the passage(s) leading to the external system to be connected.
  • the fluid can be water or any other heat transfer fluid. Cooling water can optionally be loaded with nanoparticles (graphene, carbon nanotubes) in order to increase its thermal conductivity.
  • the cooling fluid can be set in motion using an external pump and connected to the core.
  • the fluid can be cooled using at least one external heat exchanger.
  • the external cooling system then includes the pump and the heat exchanger.
  • the connecting pieces located at the vertices of the polyhedron make it possible to connect the different arms of the core and ensure that the core is held in all three dimensions.
  • a junction part has a shape adapted to the number of arms with which it is in contact.
  • a junction part may have one or more flanges whose dimension is adjusted to the dimensions of the arms in contact with the junction part.
  • Each collar defines a housing which allows one of the arms to be received. Each arm can thus be retained at the junction piece.
  • junction part can also fulfill fluid connection functions when the core contains one or more arms crossed by an opening passage. In this case the junction piece is not full.
  • the magnetic core comprises an arm crossed by an opening passage, or first opening passage, the arm being contiguous to a junction part, the junction part comprising an internal conduit in communication fluidic with the opening passage.
  • This internal conduit can open out to the outside of the magnetic core.
  • the junction part allows a fluid to circulate between the outside and the inside of the core.
  • the internal conduit does not open outside the magnetic core, then the internal conduit is in fluid communication with a second emerging passage different from the first emerging passage, the second emerging passage passing through the arm or another arm contiguous to the junction piece.
  • the junction part makes it possible to circulate a fluid inside the core between two different through passages.
  • a core as presented above can include an air gap, that is to say that one of the arms of the core and a connecting piece of the core contiguous to the arm comprise two faces, the two faces are extending perpendicularly to the axis of the cylinder, the material located between the two faces being non-magnetic.
  • the cylinder corresponds to the arm of the core mentioned above.
  • the air gap is the space located between the two faces and which does not include magnetic material.
  • the air gap can in particular correspond to a bonding strip or an empty or air-filled space.
  • the air gap allows the core to deform by thermal expansion or contraction due, for example, to a temperature variation during assured magnetic coupling within the core.
  • the air gap corresponding to a space more elastic than the rest of the core allows the deformation of the core without breaking the core.
  • the two faces which define the air gap between them can both be included in the arm.
  • the core can be produced as just described using additive manufacturing techniques without melting and in particular using binder jet printing and molten material deposition printing.
  • Binder Jetting is also known by the English name “Binder Jetting”. This method consists of spraying a liquid adhesive binder onto thin layers of powder material, in this case spinel ferrite powder.
  • the core as explained previously can be produced by additive manufacturing in a single block or in several elements. When several elements are manufactured, they are then assembled in an appropriate manner using all known techniques, including bonding, screwing, sintering, co-sintering.
  • Sintering a part increases its density. Sintering makes it possible to reduce porosity within the sintered parts. For example, we can carry out sintering which increases the density of the parts up to 90% of the density of the material which composes it, or for example here 90% of the density of the spinel ferrite ceramic which composes the parts.
  • the sintering operation is accompanied by a contraction or shrinkage of the sintered part, that is to say that in all three dimensions the size of the part is reduced. This shrinkage can be taken into account in a preliminary stage of computer-aided design of the part.
  • Additive manufacturing techniques can be applied to manufacture a core comprising an arm with a passage in a single piece. opening, that is to say an arm of the third type, the fourth type or the sixth type, if this opening passage is in communication with the outside of the core via conduits located in junction parts.
  • the C partitions can be produced by additive manufacturing.
  • a first part 73 of the core is printed, this first part 73 comprising an arm 75, 76 or 77, the arm having an open chamber 79, 110 or 111.
  • Arm 75, 76 or 77 corresponds to the arms as we have been able to describe them until now.
  • the arm forms a straight cylinder and it is intended to be included in a plurality of arms of the magnetic core, the plurality of arms being arranged along edges of a convex polyhedron.
  • the term “chamber” is understood here as a niche or recess in the core arm.
  • the chamber is open, meaning that the interior of the chamber is in communication with the exterior of the core.
  • the chamber can correspond at least in part to: a passage opening out from an arm 75 or 76 of the third type, or a closed housing of an arm 77 of the second type, fifth type or seventh type.
  • a second part 74 of the magnetic core is printed, this second part 74 comprising a junction part 112, 113 or 114.
  • junction part 112, 113 or 114 corresponds to the junction parts as they have been described so far.
  • the junction part is intended to be included in a plurality of junction parts of the magnetic core, each junction part being located at a vertex of the polyhedron.
  • the printing of the first part and the second part can be carried out using different additive manufacturing techniques.
  • they are made from a spinel ferrite powder by jet of binder or by deposition of molten material.
  • the manufacturing allows greater freedom in the shape of the core obtained because according to in the prior art the magnetic materials forming the core, such as spinel ferrites, are difficult to machine, particularly on small dimensions.
  • the element can be chosen from an element made of phase change material, an element of amorphous material, and an element of nanocrystalline material.
  • This first mode corresponds in Figure 18 to the arm 77 presenting the housing 111 in which is inserted a cartridge 117 of a phase change material or of an amorphous material, or of a nanocrystalline material.
  • the arm 77 in the core once manufactured then corresponds to an arm of the second type, the fifth type or the seventh type.
  • This arm 77 has a closed housing which corresponds to the chamber 111 once it has been closed by the junction piece 114 of the second part 74.
  • the closed housing of the arm 77 enclosing a cartridge of a phase change material or an amorphous material, or a nanocrystalline material can fulfill different functions which have been presented previously in relation to the arms of the second type.
  • the element is a hollow ferrite tube 115, 116 comprising an internal wall and at least one fin 118, 119 which extends radially inside the tube 115, 116 from the internal wall.
  • the hollow tube 115 is traversed on its internal wall by a fin 118 in a helical trajectory around the axis of the arm 75.
  • a fin 119 is traversed on its internal wall by a fin 119 along a rectilinear trajectory parallel to the axis of the arm 76.
  • the arm 75 of the first part 73 is fixed to the junction piece 112 of the second part 74.
  • the arm 76 of the first part 73 is fixed to the junction piece 113 of the second part 74.
  • the arms 75 and 76 in the core once manufactured then correspond to arms of the third type. These arms 75 and 76 are crossed by an through passage extending along the axis of the cylinder of the arm from one end to the other of the arm. The initial chambers of the arms 75 and 76 are therefore open on both sides of the cylinders formed by the arm.
  • the element inserted in each chamber of arms 75 and 76 is a hollow ferrite tube which corresponds to a hollow sleeve. In this way, the arms 75 and 76 correspond to the second embodiment of the fin as presented previously.
  • the core 1 shown in Figure 18 allows the circulation of a fluid through a channel 123 which passes through the junction parts 112, 120, 122 and 113 as well as the arms 75, 121 and 76.
  • the junction parts 112 and 113 are each crossing a conduit which communicates channel 123 with the outside of the core.
  • the secondary passages of the arms 75 and 76 in which the fins 118 and 119 extend form part of the channel 123.
  • the junction pieces 120 and 122 are each crossed by an internal conduit which communicates the secondary passage of one of the arm 75, 76 with the passage opening out to arm 121.
  • the method advantageously comprises before the insertion step a step of sintering the first part and the second part, the fixing then being carried out by gluing or screwing.
  • Sintering the first part and the second part makes it possible to increase the density. Sintering makes it possible to reduce porosity within the sintered parts. For example, we can carry out sintering which increases the density of the parts up to 90% of the density of the material which composes it, or for example here 90% of the density of the spinel ferrite ceramic which composes the parts.
  • the sintering operation is accompanied by a contraction or shrinkage of the parts, that is, in all three dimensions the size of the first part and the second part is reduced. This removal is taken into account in a preliminary computer-aided design step.
  • the first part and the second part are sintered separately. Once this densification has been achieved, the element is introduced into the chamber then the two parts are fixed so as to enclose the element. For this attachment, the two parts can be glued, screwed, or both.
  • the method preferably comprises manufacturing by stereolithography of the hollow tube, and preferably the fixation is carried out by co-sintering.
  • the process can further comprise a densification step by flash sintering (also known by the English expression “Spark Plasma Sintering” abbreviated to SPS) following the one of the sintering steps or instead of one of these.
  • This densification step makes it possible to densify the ferrite material to a higher density than with a sintering step.
  • the density of the core can reach up to 98% of the density of the material that composes it, for example 98% of the density of the spinel ferrite ceramic that composes the material.
  • Flash sintering also makes it possible to maintain a fine grain size for the ferrite.
  • a suitable flash sintering or SPS cycle can be as follows: temperature between 1000°C and 1300°C maintained for 5 to 20 minutes under a uniaxial pressure of 30-70 MPa.
  • the step of fixing the first part and the second part can be carried out by gluing.
  • the arm of the first part and the junction part of the second part are not necessarily in direct contact.
  • the arm and the connecting piece can be separated and held together with a layer of glue. This thickness of glue then corresponds to an air gap in the form of a bonding strip as presented previously.
  • the fixing of the first part and the second part is configured to place the first portion and the second portion facing each other along two faces 78C, 78D extending perpendicularly to an axis of the cylinder corresponding to the second arm, the material located between the two faces 78C, 78D being non-magnetic.
  • the two faces 78C, 78D are located opposite each other, with a gap corresponding to the difference between on the one hand the axial length of the arm 78 and on the other hand the sum of the axial length of the first portion 78 ⁇ and the axial length of the second portion 78B.
  • the space between the faces can be left empty or glue can be placed there.

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Abstract

Procédé de fabrication d'un noyau magnétique (1) comprenant : une impression d'une première partie (73) du noyau magnétique comprenant un bras (75, 76, 77) présentant une chambre (79, 110, 111) ouverte, une impression d'une deuxième partie (74) du noyau magnétique comprenant une pièce de jonction (112, 113, 114), une insertion d'un élément (115, 116, 117) dans la chambre, et une fixation de la première partie et de la deuxième partie de sorte que la pièce de jonction enferme l'élément dans la chambre, le bras est compris dans une pluralité de bras du noyau, la pluralité de bras étant agencée selon des arêtes d'un polyèdre convexe, et la pièce de jonction est comprise dans une pluralité de pièces de jonction du noyau, chaque pièce de jonction étant située à un sommet du polyèdre.

Description

Procédé de fabrication d’un noyau magnétique comprenant un élément enfermé dans un bras
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne les noyaux magnétiques, c’est-à-dire des pièces magnétiques configurées pour canaliser des lignes de champ magnétique et se coupler magnétiquement avec un autre noyau magnétique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
En aéronautique, les noyaux magnétiques sont utilisés notamment en électronique de puissance dans des coupleurs multiphasés d’un moteur entraînant un arbre de turbomachine.
Les noyaux magnétiques utilisés actuellement peuvent être conçus par compression uni-axiale ou par moulage par injection de poudre (également connu sous le terme « powder injection molding » ou PIM). Ces procédés nécessitent un moule et limitent par conséquence les géométries des noyaux fabriqués à des pièces démoulables. Ces deux procédés nécessitent un moule pour chaque géométrie et sont adaptés à la production en grandes séries.
Il existe également un procédé d’usinage de noyau à partir d’un bloc massif, mais ce procédé est peu adapté aux matériaux magnétiques qui sont fragiles et dont les propriétés magnétiques sont sensibles à l’état de surface obtenu. Ce procédé n’offre pas une grande précision ni une grande complexité dans la forme de la pièce réalisée, ce qui peut avoir un impact là encore sur les performances magnétiques de la pièce produite. Enfin l’usinage entraîne des pertes de matière qui ne sont pas toujours recyclables et, quand elles le sont, celles-ci nécessitent un traitement préalable. Ces procédés limitent les formes réalisables des noyaux magnétiques ce qui limite l’optimisation de l’encombrement des noyaux, l’optimisation de l’intégration des noyaux et la mise en oeuvre de fonctions annexes à la fonction magnétique, comme par exemple une fonction de refroidissement du noyau.
Il existe donc un besoin d’un procédé de fabrication de noyaux magnétiques permettant une plus grande liberté de forme des noyaux fabriqués.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de proposer un procédé de fabrication de noyaux magnétiques permettant une plus grande liberté de forme des noyaux fabriqués.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de fabrication d’un noyau magnétique, le procédé comprenant :
- une impression d’une première partie du noyau magnétique comprenant un bras, le bras présentant une chambre ouverte,
- une impression d’une deuxième partie du noyau magnétique comprenant une pièce de jonction,
- une insertion d'un élément dans la chambre, et
- une fixation de la première partie et de la deuxième partie de sorte que :
-- la pièce de jonction enferme l'élément dans la chambre,
-- le bras est compris dans une pluralité de bras du noyau magnétique, la pluralité de bras étant agencée selon des arêtes d’un polyèdre convexe, chaque bras formant un cylindre droit, et
-- la pièce de jonction est comprise dans une pluralité de pièces de jonction du noyau magnétique, chaque pièce de jonction étant située à un sommet du polyèdre.
Un tel procédé est avantageusement et optionnellement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : - l'élément est choisi parmi un élément en matériau à changement de phase, un élément en matériau amorphe, un élément en matériau nanocristallin, et un tube creux en ferrite comprenant une paroi interne et au moins une ailette qui s’étend radialement à l’intérieur du tube depuis la paroi interne ;
- l’impression de la première partie et de la deuxième partie est réalisée à partir d’une poudre de ferrite spinelle par jet de liant ou par dépôt de matière fondue ;
- l’impression de la première partie et de la deuxième partie est réalisée par jet de liant, le procédé comprenant avant l’étape d’insertion une étape de retrait de grains de poudre séparés du noyau ;
- l'élément est choisi parmi un élément en matériau à changement de phase, un élément en matériau amorphe, et un élément en matériau nanocristallin, le procédé comprenant avant l’étape d’insertion une étape de frittage de la première partie et de la deuxième partie, la fixation étant réalisée par collage ou vissage ;
- l'élément est un tube creux, le procédé comprenant une fabrication par stéréolithographie du tube creux, et de préférence la fixation est réalisée par co-frittage ;
- l'élément est un tube creux, la fixation étant réalisée par co-frittage et de préférence le procédé comprend une fabrication par stéréolithographie du tube creux ;
- l’impression de la première partie est configurée pour que le bras de la première partie soit un premier bras, la première partie comprenant une première portion d’un deuxième bras de la pluralité de bras du noyau magnétique, la première portion étant pleine, l’impression de la deuxième partie est configurée pour que la deuxième partie comprenne une deuxième portion du deuxième bras, la deuxième portion étant pleine, et la fixation de la première partie et de la deuxième partie est configurée pour mettre en regard la première portion et la deuxième portion selon deux faces s’étendant de manière perpendiculaire à un axe du cylindre correspondant au deuxième bras, la matière située entre les deux faces étant non magnétique ; et
- la matière située entre les deux faces comprend de la colle. L’invention porte également sur un noyau magnétique obtenu par un procédé tel qu’on vient de le présenter.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’un noyau magnétique obtenu selon un mode de mise en oeuvre de l’invention,
- les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques d’un type de bras d’un noyau magnétique selon une coupe radiale en figure 2 et une coupe axiale en figure 3,
- les figures 4 et 5 sont des représentations schématiques d’un type de bras d’un noyau magnétique selon une coupe radiale en figure 4 et une coupe axiale en figure 5,
- les figures 6 et 7 sont des représentations schématiques d’un type de bras d’un noyau magnétique selon une coupe radiale en figure 6 et une coupe axiale en figure 7,
- les figures 8 et 9 sont des représentations schématiques d’un type de bras d’un noyau magnétique selon une coupe radiale en figure 8 et une coupe axiale en figure 9,
- les figures 10 et 11 sont des représentations schématiques d’un type de bras d’un noyau magnétique selon une coupe radiale en figure 10 et une coupe axiale en figure 11 ,
- les figures 12 et 13 sont des représentations schématiques d’un type de bras d’un noyau magnétique selon une coupe radiale en figure 12 et une coupe axiale en figure 13,
- les figures 14 et 15 sont des représentations schématiques d’un type de bras d’un noyau magnétique selon une coupe radiale en figure 14 et une coupe axiale en figure 15, - les figures 16 et 17 sont des représentations schématiques d’un type de bras d’un noyau magnétique selon une coupe radiale en figure 16 et une coupe axiale en figure 17,
- la figure 18 est une représentation schématique d’un noyau magnétique obtenu selon un mode de mise en oeuvre de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En rapport avec la figure 1 , un noyau magnétique 1 comprend une pluralité de bras référencés 31 à 42.
Chaque bras forme un cylindre droit. Cela signifie que le plus petit volume convexe qui contient le bras définit une surface qui est la surface d’un cylindre droit. Un volume est convexe lorsque, pour tout couple de deux points contenus dans le volume, le segment qui joint ces deux points est entièrement contenu dans le volume.
Chaque cylindre présente un axe principal A sur lequel le cylindre est centré, cet axe principal donnant la direction des génératrices du cylindre. Le cylindre peut être en particulier à section circulaire, c’est-à-dire qu’une section perpendiculaire à l’axe principal présente un périmètre externe circulaire.
Le cylindre peut présenter une dimension radiale ou un diamètre extérieur supérieur ou égal à 5 millimètres et inférieur ou égal à 30 millimètres. Une dimension radiale du cylindre ou du bras est une longueur du cylindre ou du bras mesurée dans une direction radiale orthogonale à l’axe principal A.
Chaque cylindre s’étend sur une longueur axiale le long de l’axe principal entre deux faces formant les extrémités axiales du cylindre. Un cylindre droit signifie que ces deux faces sont orthogonales à l’axe principal. Les bras du noyau peuvent être tous de même longueur axiale ou présenter des longueurs axiales différentes. Chaque bras peut être en ferrite et notamment en ferrite spinelle. Les matériaux dits « ferrites spinelles » sont des céramiques magnétiques. Ce sont des oxydes magnétiques de type MeFezCU, le terme « Me » désignant un métal d’alliage comme du MnZn, du NiZn, etc... Il est possible d’ajouter dans cet alliage du cuivre ou d’autres métaux. Cet ajout permet des spécificités supplémentaires. Ces céramiques présentent des températures de fusion élevées.
Chaque bras est configuré pour recevoir un enroulement d’un fil conducteur. Le bras peut recevoir deux enroulements de fil conducteur qui pourront être couplés magnétiquement grâce au matériau composant le noyau magnétique.
Les bras du noyau sont agencés selon des arêtes, référencées 51 à 62 en figure 1 , d’un polyèdre convexe, référencé 7 en figure 1.
Cela signifie que chaque bras est associé à une et une seule arête du polyèdre et inversement que chaque arête du polyèdre est associée à un et un seul bras du noyau. Une arête est alignée avec l’axe principal du cylindre formé par le bras associé à l’arête. Le bras s’étend selon cet axe principal sur une longueur axiale entièrement contenue dans l’arête associée au bras.
Un polyèdre est convexe lorsque pour tout couple de deux points contenus dans le polyèdre, le segment qui joint ces deux points est entièrement contenu dans le polyèdre.
Le polyèdre présente différentes faces qui sont chacune des polygones. Chacun de ces polygones peut comprendre un même nombre d’arêtes et donc un même nombre de sommets. Dans l’exemple de la figure 1 , le polyèdre 7 est un cube comprenant au total 12 arêtes et 8 sommets. Le cube présente 6 faces qui sont toutes des carrés, chaque carré présentant 4 arêtes et 4 sommets.
Le polyèdre peut présenter donc un et un seul type de polygone sur chacun de ces côtés : triangle à 3 côtés, quadrilatère à 4 côtés, pentagone à 5 côtés, etc...
Le nombre de faces du polyèdre est supérieur ou égal à 4. Ce nombre ne dépend pas du type de polygone qui forme les faces du polyèdre. Par exemple, le polyèdre peut présenter des faces triangulaires et comprendre 4 faces comme dans le cas d’un tétraèdre ou 8 faces comme dans le cas d’un octaèdre.
Le polyèdre n’est pas nécessairement régulier. Autrement dit, les polygones formant les faces du polyèdre ne sont pas nécessairement tous identiques. Les bras du noyau n’ont pas nécessairement tous la même longueur axiale.
Le noyau magnétique comprend en outre des pièces de jonction, référencées 81 à 89 en figure 1 , situées à des sommets du polyèdre. Plus précisément, à chaque sommet du polyèdre se trouve une et une seule pièce de jonction. Ces pièces de jonction sont de préférence en ferrite, et notamment en ferrite spinelle.
Chaque pièce de jonction est contigüe à des extrémités d’au moins trois des bras du noyau magnétique. Chacune de ces extrémités est une extrémité axiale, c’est à dire une extrémité du bras dans la direction de l’axe principal du cylindre du bras. La pièce de jonction est contigüe à un bras via une extrémité axiale d’un bras signifie que la pièce de jonction est monolithique avec le bras ou en contact direct avec le bras selon cette extrémité ou encore collée au bras le long de cette extrémité.
Un polyèdre comprend au moins quatre faces. Un sommet d’un polyèdre relie au moins trois arêtes différentes. Pour un polyèdre comprenant plus de quatre faces, un sommet du polyèdre peut relier plus de trois arêtes différentes. Chaque pièce de jonction située à un sommet du polyèdre est contigüe aux extrémités de chacun des bras associés aux arêtes qui sont reliées par le sommet, c’est-à- dire qu’elle est contigüe aux extrémités d’au moins trois bras.
Un noyau comme on vient de l’exposer présente donc une forme tridimensionnelle en correspondance avec un polyèdre, chaque bras du noyau correspondant à une arête du polyèdre.
La structure en polyèdre permet de définir autant de circuits magnétiques fermés qu’il y a de polygones fermés dans le polyèdre. Chacun de ces polygones correspond dans le noyau à une succession de bras en ferrite et de pièces de jonction en ferrite contigus les uns aux autres, cette succession formant une maille fermée de matériau magnétique.
Chaque bras peut être le siège d’un couplage magnétique entre deux fils conducteurs bobinés autour du bras. Plus généralement, il peut être possible de coupler deux bobinages de fil conducteur qui se trouvent autour de bras différents, comme des bras reliés par une même pièce de jonction ou même des bras plus éloignés spatialement l’un de l’autre dans le noyau.
La structure en polyèdre convexe des noyaux magnétiques présentés ici permet une grande variété de forme de ces noyaux. Un tel noyau peut coupler de nombreux bobinages électriques différents et selon des forces de couplage différents. Il est ainsi possible de réaliser au sein d’un seul et même noyau magnétique différents couplages magnétiques qui dans l’art antérieur nécessiterait une pluralité de noyaux magnétiques.
Chaque bras peut remplir une fonction particulière, comme par exemple un couplage magnétique entre deux bobinages enroulés autour du bras ou bien encore un refroidissement du bras et donc plus généralement du noyau magnétique. Le noyau peut ainsi remplir une pluralité de fonctions, ces fonctions étant réalisées en des endroits spatialement séparés les uns des autres de sorte qu’il est possible de mettre en oeuvre ces fonctions de manière indépendante les unes des autres. En particulier cette mise en oeuvre s’effectue de manière plus indépendante que dans le cas d’un noyau en deux dimensions. Le noyau présenté ici permet in fine de remplir plus de fonctions que dans l’art antérieur et ce dans un volume spatial plus faible et de manière plus indépendante les unes des autres.
Par ailleurs, un noyau magnétique sous la forme d’un assemblage tridimensionnel de bras permet de mettre en oeuvre une optimisation topologique. Un tel noyau définit une structure comprenant des zones vides tout en présentant une importante absorption de vibrations mécaniques, notamment les vibrations mécaniques en lien avec une résonance magnétique. La structure remplit sa fonction magnétique ou ses fonctions magnétiques, tout en présentant à la fois un poids moindre grâce aux zones vides et à la fois une bonne tenue mécanique.
Les bras du noyau magnétique peuvent être de différents types.
Selon un premier type et en rapport avec les figures 2 et 3, un bras 301 peut être un cylindre en ferrite plein qui s’étend selon un axe principal À. Autrement dit, le bras 301 ne présente aucun creux ni aucune cavité de sorte que le bras définit un volume de cylindre entièrement rempli de matériau magnétique. La figure 2 est une coupe radiale du bras, c’est-à-dire une coupe dans un plan orthogonal à l’axe principal A. La figure 3 est une coupe axiale du bras, c’est-à-dire une coupe selon un plan qui contient l’axe principal A.
Un bras plein de ce premier type est notamment adapté pour réaliser un couplage magnétique fort entre deux fils électriques bobinés autour de ce bras. Un noyau magnétique comme on l’a présenté plus haut peut comprendre un ou plusieurs bras de ce premier type. Tous les bras du noyau peuvent être de ce type.
Selon un deuxième type et en rapport avec les figures 4 et 5, un bras 303 peut présenter un logement fermé 9, le logement 9 étant centré sur l’axe A du cylindre 303, l’axe A traversant le logement 9. Le bras comprend une paroi interne qui définit le logement fermé 9, c’est-à-dire que le logement fermé 9 n’est pas en communication fluidique avec l’extérieur du bras. Autrement dit, le logement 9 est inclus -c’est-à-dire enfermé - dans un volume plein en ferrite que définit le bras 303. La paroi interne peut avoir la forme d’un cylindre interne centré sur un axe qui coïncide avec l’axe A principal du cylindre 303. Le cylindre interne peut être à section circulaire. Le logement 9 est centré sur l’axe A et l’axe A traverse le logement 9. Autrement dit, il y a dans le bras une zone centrale entourant l’axe A qui n’est pas occupée par la matière du bras. Le logement 9 est entouré de matière du bras. Dans les directions radiales qui partent de l’axe A vers l’extérieur l’épaisseur de matière du bras qui entoure le logement est sensiblement la même dans toutes ces différentes directions radiales. L’épaisseur du bras définie entre la paroi interne et la paroi externe du cylindre est supérieure ou égale à 500 pm. Lorsque le bras et la paroi interne ont chacun la forme d’un cylindre centré sur l’axe À principal du cylindre, ils définissent des rayons dont la différence est supérieure ou égale à 500 pm.
Le logement 9 contient un matériau 10 choisi parmi un matériau à changement de phase et un matériau amorphe ou nanocristallin.
Lorsque le logement 9 comprend un matériau à changement de phase, le bras de ce deuxième type est notamment adapté pour filtrer les pics de température. Le matériau à changement de phase est choisi pour être solide à la température de fonctionnement nominal du noyau, mais liquide au-delà. La chaleur latente du matériau impose qu’une énergie thermique importante soit apportée ou retranchée au matériau pour quitter ce palier de température, ce qui impose lors de ce changement de phase une température constante au système, inférieure à celle du pic. Dès lors, les variations rapides de température du noyau peuvent être absorbées localement et lissées par les changements de phases répétés du matériau.
Lorsque le logement comprend un matériau amorphe ou nanocristallin, le bras de ce deuxième type est notamment adapté pour augmenter la perméabilité magnétique du bras. Cela est notamment pertinent si le noyau est utilisé avec des signaux alternatifs sur certaines gammes de fréquence. Typiquement sur la gamme de quelques dizaines de kiloHertz à quelques centaines de kiloHertz, les noyaux en ferrite peuvent avoir une induction magnétique inférieure à 0.5 Tesla. La présence du matériau amorphe ou nanocristallin renforce l’induction magnétique de l’ensemble « bras + matériau dans le logement ». Il est aussi possible en ajoutant le matériau dans le logement, de diminuer la taille du noyau nécessaire pour atteindre une certaine induction magnétique. Ce degré de liberté supplémentaire permet de réaliser une fonction magnétique identique avec une dimension radiale du bras plus faible. Certaines contraintes d’encombrement et/ou d’intégration peuvent être ainsi plus facilement respectées. Un noyau magnétique comme on l’a présenté plus haut peut comprendre un ou plusieurs bras de ce deuxième type. Tous les bras du noyau peuvent être de ce deuxième type.
Selon un troisième type et en rapport avec les figures 6 et 7, un bras 302 peut être traversé par un passage débouchant 11 hors du bras à chaque extrémité du bras. Autrement dit, le passage 11 s’étend à l’intérieur du bras selon l’axe A depuis une extrémité axiale à l’autre. Le passage 11 est centré sur l’axe A du cylindre, l’axe passant par le passage 11.
Le bras 302 présente une structure de cylindre creux, définissant une paroi interne 13 et une paroi externe 14. Ces parois 13 et 14 sont de préférence concentriques et de même forme définissant une épaisseur de ferrite uniforme.
Le passage 11 est défini par une paroi interne 13. La paroi interne 13 peut présenter une forme cylindrique centrée sur l’axe A, et en particulier une forme cylindrique à section circulaire. L’épaisseur du bras définie entre la paroi interne 13 et la paroi externe 14 est supérieure ou égale à 500 pm. Lorsque le bras et la paroi interne ont chacun la forme d’un cylindre centré sur l’axe A principal du cylindre, ils définissent des rayons dont la différence est supérieure ou égale à 500 pm.
Un bras creux de ce troisième type est notamment adapté pour faire passer un fluide de refroidissement dans le passage débouchant de sorte à refroidir le bras et plus généralement le noyau. Un noyau magnétique comme on l’a présenté plus haut peut comprendre un ou plusieurs bras de ce troisième type. Tous les bras du noyau peuvent être de ce type.
Selon un quatrième type et en rapport avec les figures 8 et 9, un bras 304 peut comprendre deux parois internes 17 et 19 en regard l’une de l’autre, les deux parois 17 et 19 définissant entre elles un passage débouchant 15 hors du bras à chaque extrémité du bras. Autrement dit le passage 15 s’étend à l’intérieur du bras selon l’axe A depuis une extrémité axiale à l’autre. Dans ce quatrième type, le bras comprend un unique passage débouchant qui est défini par deux parois différentes en regard l’une de l’autre.
Une première paroi interne 17 se situe radialement à l’extérieur de la deuxième paroi interne 19, de sorte que la première paroi interne 17 entoure la deuxième paroi interne 19.
Le passage 15 est centré sur l’axe À du cylindre, mais l’axe À ne passe par le passage 15. Autrement dit, le bras 304 présente une partie centrale 16 qui se situe radialement à l’intérieur de la deuxième paroi interne 19. La deuxième paroi interne 19 est comprise dans la partie centrale 16 et délimite la partie centrale 16. La partie centrale 16 est pleine et elle est traversée par l’axe A. Le passage débouchant 15 s’étend radialement autour de cette partie centrale 16. Le passage débouchant 15 sépare la partie centrale 16 d’une partie périphérique 18 du bras 304. La partie périphérique 18 s’étend radialement vers l’extérieur à partir de la première paroi interne 17. La première paroi interne 17 est comprise dans la partie périphérique 18 et délimite la partie périphérique 18. Pour fixer la partie centrale 16 et la partie périphérique 18, le bras 304 peut comprendre au moins une entretoise E qui s’étend dans une direction radiale depuis la partie centrale 16 jusqu’à la partie périphérique 18 ou autrement dit de la deuxième paroi interne 19 jusqu’à la première paroi interne 17. De préférence, le bras comprend au moins deux entretoises E, réparties à différentes hauteurs et selon différents angles dans le plan radial. Les entretoises E présentent par exemple une forme de tige ou de poutre, les entretoises ne s’étendant pas sur toute la longueur axiale du bras 304. Les entretoises peuvent être réparties sur la longueur axiale du bras 304 et/ou radialement autour de l’axe du cylindre.
Le passage débouchant 15 permet une circulation fluidique, entre la partie périphérique 18 et la partie centrale 16. Dans ce passage 15 les entretoises ne gênent pas la circulation fluidique.
La figure 8 représente une coupe radiale du bras 304 selon un plan d’un noyau magnétique dans lequel se trouve deux entretoises. La figure 9 représente une coupe axiale du bras 304 selon un plan n’intersectant pas la ou les entretoises, le passage 15 apparaît ainsi comme un anneau continu autour de la partie centrale 16 du bras.
La première paroi interne 17 et la deuxième paroi interne 19 peuvent présenter une forme cylindrique centrée sur l’axe À, et en particulier une forme cylindrique à section circulaire. Le passage débouchant 15 présente alors une section annulaire. La dimension radiale de chacun de la partie centrale 16, de la partie périphérique 18 et du passage débouchant 15 est supérieure ou égale à 500 pm. Lorsque le bras et les parois internes 17 et 19 ont chacun la forme d’un cylindre centré sur l’axe À principal du cylindre, le bras et la paroi interne 17 définissent des rayons dont la différence est supérieure ou égale à 500 pm et les parois internes 17 et 19 définissent des rayons dont la différence est supérieure ou égale à 500 pm. Dans ce mode préféré la partie périphérique 18 est un cylindre creux extérieur et la partie centrale 16 est un cylindre intérieur. Le passage débouchant 15 permet une circulation fluidique, entre le cylindre creux extérieur 18 et le cylindre intérieur 16. Ces cylindres sont solidarisés par au moins une entretoise E. L’entretoise E ou les entretoises E s’étendent radialement entre la paroi externe 19 du cylindre intérieur 16 et la paroi interne 17 du cylindre extérieur 18. Structurellement, le cylindre creux extérieur 18, le cylindre intérieur 16 et les entretoises E peuvent être formés d’un seul bloc par fabrication additive. Les deux parois 17 et 19 se font face et définissent le passage débouchant 15. Dans ce passage les entretoises ne gênent pas la circulation fluidique.
Un bras creux de ce quatrième type est notamment adapté pour faire passer un fluide de refroidissement dans le passage débouchant 15 de sorte à refroidir le bras et plus généralement le noyau. Un noyau magnétique comme on l’a présenté plus haut peut comprendre un ou plusieurs bras de ce quatrième type. Tous les bras du noyau peuvent être de ce type.
Il est à noter que l’on peut combiner les caractéristiques d’un bras du deuxième type et les caractéristiques d’un bras du quatrième type dans un bras d’un cinquième type. Selon ce cinquième type et en rapport avec les figures 10 et 11 , un bras 306 peut comprendre d’une part les deux parois internes 17 et 19 en regard l’une de l’autre, les deux parois 17 et 19 définissant entre elles le passage débouchant 15 et d’autre part le logement fermé 9, le logement 9 étant centré sur l’axe À du bras 306, l’axe À traversant le logement 9. Autrement dit le logement fermé 9 est situé à l’intérieur de la partie centrale 16. Le logement 9 est entouré par la deuxième paroi interne 19. L’épaisseur - mesurée dans une direction radiale - de matière du bras entre le logement 9 et la deuxième paroi interne 19 est supérieure ou égale à 500 pm. Lorsque le bras et le logement 9 ont chacun la forme d’un cylindre centré sur l’axe A principal du cylindre, le bras et le logement 9 définissent des rayons dont la différence est supérieure ou égale à 500 pm.
Un bras creux de ce cinquième type permet de produire simultanément ou séparément les effets techniques associés aux bras du deuxième type et du quatrième type. Un noyau magnétique comme on l’a présenté plus haut peut comprendre un ou plusieurs bras de ce cinquième type. Tous les bras du noyau peuvent être de ce type.
Selon un sixième type et en rapport avec les figures 12 et 13, un bras 305 peut comprendre deux parois internes 25 et 27, chaque paroi interne définissant un passage débouchant hors du bras à chaque extrémité du bras, l’axe du cylindre ne passant par aucun des deux passages. Autrement dit : la première paroi interne 25 définit un premier passage 21 qui s’étend à l’intérieur du bras selon l’axe A depuis une extrémité axiale à l’autre, la deuxième paroi interne 27 définit un deuxième passage 23 qui s’étend à l’intérieur du bras selon l’axe A depuis une extrémité axiale à l’autre, et l’axe du cylindre A ne passe ni par le premier passage 21 ni par le deuxième passage 23.
Dans ce sixième type, le bras comprend deux passages débouchant différents, chaque passage étant par une seule paroi. Le bras comprend donc deux parois différentes qui définissent chacune un passage débouchant. Le bras 305 présente une partie centrale 26 qui se situe radialement entre la première paroi interne 25 et la deuxième paroi interne 27. La partie centrale 26 est pleine, c’est-à-dire en ferrite, et elle est traversée par l’axe À.
La première paroi interne 25 et la deuxième paroi interne 27 s’étendent radialement autour de la partie centrale 26 sur des secteurs angulaires d’une étendue inférieure ou égale à 180° . La première paroi interne 25 et la deuxième paroi interne 27 peuvent être symétriques l’une par rapport à l’autre par rapport à l’axe principal À du bras 305. Par exemple, chacune des parois internes 25 et 27 présente en coupe radiale une partie circulaire centrée sur l’axe du cylindre et une partie rectiligne qui relie les deux extrémités de la partie circulaire, chacune des parois interne étant générée par translation de cette coupe radiale par une translation selon l’axe principal À du bras 305. Dans un autre exemple, chacune des parois internes 25 et 27 présente en coupe radiale une forme elliptique, chacune des parois interne étant générée par translation de cette coupe radiale par une translation selon l’axe principal À du bras 305.
Dans un mode préféré du sixième type de bras, la première paroi interne 25 et la deuxième paroi interne 27 présentent chacune deux parties de forme cylindrique centrées sur l’axe À les deux parties étant en regard l’une de l’autre. Le premier passage 21 et le deuxième passage 23 présentent alors une section radiale qui a une forme de portion d’anneau.
Le bras 305 présente dans le mode préféré une partie périphérique 28 qui se situe radialement autour de la première paroi interne 25 et de la deuxième paroi interne 27.
Dans le mode préféré, les passages débouchant 21 et 23 se situent entre la partie centrale 26 et la partie périphérique 28 du bras 305. La partie centrale 26 et la partie périphérique 28 sont reliées l’une à l’autre par deux cloisons C qui s’étendent dans une direction radiale depuis la partie centrale 26 jusqu’à la partie périphérique 28. Les cloisons C s’étendent sur toute la longueur axiale du bras 304. Les cloisons C séparent les passages débouchant 21 et 23, de sorte que sur toute la longueur axiale du bras 304, un fluide ne peut pas passer d’un passage débouchant à l’autre. Les cloisons C définissent alors une partie des parois internes 25 et 27. Chaque paroi interne dans le mode préféré est formée d’une partie de la surface de chacune des deux cloisons C et des deux parties de forme cylindrique centrées sur l’axe À en regard l’une de l’autre, les deux parties étant pour chaque paroi interne reliée par les deux cloisons.
La dimension radiale de chacun de la partie centrale 16, de la partie périphérique 18 et des passages débouchant 21 et 23 est supérieure ou égale à 500 pm. Lorsque la partie centrale 16 et la partie périphérique 18 ont chacun la forme d’un cylindre centré sur l’axe À principal du cylindre, la partie centrale 16 et la partie périphérique 18 définissent des rayons dont la différence est supérieure ou égale à 1 millimètre.
Un bras creux de ce sixième type est notamment adapté pour faire passer deux flux de fluide de refroidissement dans les deux passages débouchant 21 et 23 de sorte que chaque passage débouchant est traversé par un flux de fluide. Cela permet de mettre en oeuvre un refroidissement du bras en utilisant deux fluides distincts ou bien un fluide qui passe deux fois à travers le bras. Un noyau magnétique comme on l’a présenté plus haut peut comprendre un ou plusieurs bras de ce sixième type. Tous les bras du noyau peuvent être de ce type.
Il est à noter que l’on peut combiner les caractéristiques d’un bras du deuxième type et les caractéristiques d’un bras du sixième type dans un bras d’un septième type. Selon ce septième type et en rapport avec les figures 14 et 15, un bras 307 peut comprendre d’une part les deux parois internes 25 et 27, chaque paroi interne définissant un passage débouchant hors du bras à chaque extrémité du bras, l’axe du cylindre ne passant par aucun des deux passages et d’autre part le logement fermé 9, le logement 9 étant centré sur l’axe À du bras 307, l’axe À traversant le logement 9. Autrement dit le logement fermé 9 est situé à l’intérieur de la partie centrale 26. L’épaisseur - mesurée dans une direction radiale - de matière du bras entre le logement 9 et les passages débouchant 21 et 23 est supérieure ou égale à 500 pm. Un bras creux de ce septième type permet de produire simultanément ou séparément les effets techniques associés aux bras du deuxième type et du sixième type. Un noyau magnétique comme on l’a présenté plus haut peut comprendre un ou plusieurs bras de ce septième type. Tous les bras du noyau peuvent être de ce type.
Ailette de refroidissement
En option pour les bras du troisième type, le bras peut en outre comprendre une ailette qui s’étend à partir de la paroi interne à l’intérieur du passage, l’ailette étant configurée pour augmenter une surface d’échange thermique entre le bras et un fluide passant au travers du passage.
Dans le cas où une ailette est comprise dans l’un de ces bras, elle s’étend dans le passage débouchant du bras ou du moins dans l’un au moins des deux passages débouchant du bras, l’ailette s’étendant à partir de la paroi ou de l’un des deux parois qui définit le passage. L’ailette fait donc saillie d’une paroi interne du bras vers l’intérieur du passage.
Dans un premier mode de réalisation de l’ailette de refroidissement, et en référence aux figures 4 et 5, le bras 302 du troisième type comprend une ailette 12 qui s’étend à partir de la paroi interne 13 à l’intérieur du passage 11. Ici l’ailette 12 prend une forme d’un parallélépipède rectangle qui s’étend selon la direction de l’axe du cylindre sur toute la longueur axiale du bras 302 et se situe radialement dans un même secteur angulaire du cylindre sur toute cette longueur.
Dans un second mode de réalisation de l’ailette de refroidissement, et en rapport avec les figures 16 et 17 le passage débouchant est un passage primaire et le bras 302 du troisième type loge à l’intérieur de ce premier passage un manchon 70 creux. Le manchon 70 creux présente une paroi intérieure 71 définissant un passage secondaire 72 plus étroit que le premier passage. Le passage secondaire 72 est débouchant hors du bras à chaque extrémité du bras 302. Le passage secondaire 72 s’étend à l’intérieur du bras selon l’axe À depuis une extrémité axiale à l’autre. Le passage secondaire 72 est centré sur l’axe À du cylindre, l’axe passant par le passage secondaire. Le manchon creux 70 a une paroi extérieure qui est ajustée à la forme de la paroi interne 13 du bras 302. La paroi intérieure 71 du manchon creux est de préférence concentrique à la paroi interne 13 et de même forme définissant une épaisseur uniforme. La paroi intérieure du manchon creux peut présenter une forme cylindrique centrée sur l’axe À, et en particulier une forme cylindrique à section circulaire. L’épaisseur du manchon creux définie entre la paroi interne 13 et la paroi intérieure du manchon creux est supérieure ou égale à 500 pm. De préférence, le manchon 70 creux est en ferrite.
Dans ce second mode de réalisation de l’ailette de refroidissement, le manchon creux comprend une ailette 12 qui s’étend à partir de la paroi intérieure à l’intérieur du passage secondaire. Ici l’ailette 12 prend une forme d’un parallélépipède rectangle qui s’étend selon la direction de l’axe du cylindre sur toute la longueur axiale du bras 302 et se situe radialement dans un même secteur angulaire du cylindre sur toute cette longueur.
De manière commune aux deux modes de réalisation, l’ailette peut prendre différentes formes, elle peut s’étendre selon différentes directions dans le passage primaire ou secondaire comme par exemple de manière hélicoïdale autour de l’axe du cylindre. L’ailette peut également s’étendre sur une portion seulement de la longueur axiale du bras, par exemple l’ailette peut s’étendre sur une moitié ou sur un quart de la longueur axiale du passage primaire ou secondaire.
L’ailette est configurée pour augmenter une surface d’échange thermique entre le bras et un fluide s’écoulant dans le passage primaire ou secondaire. De cette manière, le refroidissement du noyau par le fluide est plus important.
Lorsque le noyau magnétique comprend un bras du troisième type, le noyau peut être raccordé à un système externe de refroidissement de sorte qu’un fluide permettant le refroidissement circule dans le ou les passages débouchant, primaires ou secondaires. Les pièces de jonction sont alors choisies pour permettre de raccorder le ou les passages débouchant au système externe de refroidissement. Le fluide peut être de l’eau ou tout autre fluide caloporteur. Une eau de refroidissement peut en option être chargée en nanoparticules (graphène, nanotubes de carbone) afin d’en augmenter la conductivité thermique.
Le fluide de refroidissement peut être mis en mouvement grâce à une pompe externe et raccordée au noyau. Le fluide peut être refroidi grâce à au moins un échangeur de chaleur externe. Le système externe de refroidissement comprend alors la pompe et l’échangeur de chaleur.
Pièces de jonction
Les pièces de jonction situées aux sommets du polyèdre permettent de relier les différents bras du noyau et d’assurer la tenue du noyau dans les trois dimensions.
À cet effet, une pièce de jonction présente une forme adaptée au nombre de bras avec lesquels elle est en contact. Une pièce de jonction peut présenter une ou plusieurs collerettes dont la dimension est ajustée aux dimensions des bras en contact avec la pièce de jonction. Chaque collerette définit un logement qui permet de recevoir l’un des bras. Chaque bras peut ainsi être retenu à la pièce de jonction.
Une pièce de jonction peut être pleine, c’est-à-dire ne contenir aucun logement ou n’être traversé par aucun passage.
En plus de ce rôle de jonction, une pièce de jonction peut également remplir des fonctions de connexion fluidique lorsque le noyau contient un ou des bras traversés par un passage débouchant. Dans ce cas la pièce de jonction n’est pas pleine.
Pour remplir une fonction de connexion fluidique dans une pièce de jonction, le noyau magnétique comprend un bras traversé par un passage débouchant, ou premier passage débouchant, le bras étant contigu à une pièce de jonction, la pièce de jonction comprenant un conduit interne en communication fluidique avec le passage débouchant. Ce conduit interne peut être débouchant à l’extérieur du noyau magnétique. Dans ce premier cas, la pièce de jonction permet de faire circuler un fluide entre l’extérieur et l’intérieur du noyau.
Si le conduit interne n’est pas débouchant à l’extérieur du noyau magnétique, alors le conduit interne est en communication fluidique avec un second passage débouchant différent du premier passage débouchant, le second passage débouchant traversant le bras ou bien un autre bras contigu à la pièce de jonction. Dans ce deuxième cas, la pièce de jonction permet de faire circuler un fluide à l’intérieur du noyau entre deux passages débouchants différents.
Entrefer
Un noyau tel qu’on a pu le présenter plus haut peut comprendre un entrefer, c’est-à-dire qu’un des bras du noyau et une pièce de jonction du noyau contigüe au bras comprennent deux faces, les deux faces s’étendant de manière perpendiculaire à l’axe du cylindre, la matière située entre les deux faces étant non magnétique. Le cylindre correspond au bras du noyau mentionné plus haut. L’entrefer est l’espace situé entre les deux faces et qui ne comprend pas de matière magnétique.
L’entrefer peut en particulier correspondre à une bande de collage ou un espace vide ou rempli d’air.
L’entrefer permet de laisser le noyau se déformer par dilatation ou contraction thermique due par exemple à une variation de température lors d’un couplage magnétique assuré au sein du noyau. L’entrefer correspondant à un espace plus élastique que le reste du noyau permet la déformation du noyau sans cassure du noyau.
L’entrefer correspondant à un espace vide peut permettre de placer plus facilement un bobinage de fil électrique autour du bras.
Les deux faces qui définissent entre elles l’entrefer peuvent être toutes les deux comprises dans le bras.
D’une manière générale on peut réaliser le noyau comme on vient de l’exposer selon des techniques de fabrication additive sans fusion et notamment en utilisant l’impression par jet de liant et l’impression par dépôt de matière fondue.
L’impression par jet de liant est également connue sous la désignation anglaise « Binder Jetting ». Cette méthode consiste à projeter un liant adhésif liquide sur de fines couches de matériau en poudre, en l’occurrence de la poudre de ferrites spinelles.
L’impression par dépôt de matière fondue est également connue sous la désignation anglaise « Fused Filament Fabrication » abrégée en FFF. Cette méthode comprend notamment le mélange de la poudre avec un liant polymère, puis l’impression proprement dite. Il faut ensuite retirer le polymère dans une étape dite de déliantage thermique.
Le noyau tel qu’exposé précédemment peut être réalisé par fabrication additive en un seul bloc ou en plusieurs éléments. Lorsque plusieurs éléments sont fabriqués, ils sont ensuite assemblés de manière appropriée en utilisant toutes techniques connues, notamment collage, vissage, frittage, co-frittage.
Le frittage d’une pièce permet d’en augmenter la densité. Le frittage permet de diminuer les porosités au sein des pièces frittées. Par exemple, on peut procède à un frittage qui augmente la densité des parties jusqu’à 90% de la densité du matériau qui le compose, soit par exemple ici 90% de la densité de la céramique de ferrite spinelle qui compose les parties. L’opération de frittage s’accompagne d’une contraction ou d’un retrait de la pièce frittée, c’est-à-dire que dans les trois dimensions la taille de la pièce est réduite. Ce retrait peut être pris en compte dans une étape préalable de conception de la pièce assistée par ordinateur.
Les techniques de fabrication additive peuvent être appliquées pour fabriquer en une pièce monobloc un noyau comprenant un bras avec un passage débouchant, c’est-à-dire un bras du troisième type, du quatrième type ou du sixième type, si ce passage débouchant est en communication avec l’extérieur du noyau via des conduits situés dans des pièces de jonction.
Pour les bras du quatrième type, les entretoises E sont réalisables par fabrication additive. Structurellement, le cylindre creux extérieur 18, le cylindre intérieur 16 et les entretoises E peuvent être formés d’un seul bloc par ce type de fabrication. Les deux parois 17 et 19 se font face et définissent le passage débouchant 15. Dans ce passage les entretoises ne gênent pas la circulation fluidique.
Pour les bras du sixième type, les cloisons C sont réalisables par fabrication additive.
Procédé de fabrication d’un noyau ma nétique présentant une chambre
En rapport avec la figure 18, on présente à présent un procédé de fabrication d’un noyau magnétique 1.
Dans une première étape de fabrication du noyau 1 , on imprime une première partie 73 du noyau, cette première partie 73 comprenant un bras 75, 76 ou 77, le bras présentant une chambre 79, 110 ou 111 ouverte.
Le bras 75, 76 ou 77 correspond aux bras tels qu’on a pu les décrire jusqu’à présent. En particulier le bras forme un cylindre droit et il est destiné à être compris dans une pluralité de bras du noyau magnétique, la pluralité de bras étant agencée selon des arêtes d’un polyèdre convexe.
Le terme de « chambre » est compris ici comme une niche ou un renfoncement dans le bras du noyau. La chambre est ouverte c’est à dire que l’intérieur de la chambre est en communication avec l’extérieur du noyau.
Par rapport aux types de bras décrits précédemment, la chambre peut correspondre au moins en partie à : un passage débouchant d’un bras 75 ou 76 du troisième type, ou un logement fermé d’un bras 77 du deuxième type, du cinquième type ou du septième type.
Lors d’une deuxième étape, on imprime une deuxième partie 74 du noyau magnétique, cette deuxième partie 74 comprenant une pièce de jonction 112, 113 ou 114.
La pièce de jonction 112, 113 ou 114 correspond aux pièces de jonction telles qu’on a pu les décrire jusqu’à présent. En particulier la pièce de jonction est destinée à être comprise dans une pluralité de pièces de jonction du noyau magnétique, chaque pièce de jonction étant située à un sommet du polyèdre.
L’impression de la première partie et de la deuxième partie peut être réalisée selon différentes techniques de fabrication additive. De préférence, elles sont réalisées à partir d’une poudre de ferrite spinelle par jet de liant ou par dépôt de matière fondue.
Les matériaux dits ferrite ou « ferrites spinelles » sont des céramiques magnétiques. Ce sont des oxydes magnétiques de type MeFezCU, le terme « Me » désignant un métal d’alliage comme du MnZn, du NiZn, etc... Il est possible d’ajouter dans cet alliage du cuivre ou d’autres métaux. Cet ajout permet des spécifités supplémentaires. Ces céramiques présentent des températures de fusion élevées.
L’intérêt d’utiliser une fabrication spinelle par jet de liant ou par dépôt de matière fondue tient au fait qu’il n’est pas possible d’utiliser des procédés de fabrication avec fusion dans le cas de ferrite, notamment à cause des états de surface nécessaires et de la nature des matériaux (volatilisation du zinc dans les ferrites).
Chacun de ces procédés est un procédé de fabrication additive. Le recours à ce type de procédé présente notamment les intérêts suivants :
- un dépôt de la matière magnétique, et notamment de ferrite spinelle, couche par couche permettant d’ajuster la quantité de matière utilisée, - l’application du procédé au domaine de l’électronique de signal et l’électronique de puissance,
- l’absence d’usinage : on parle de procédé « de forme nette » (également connu sous l’expression anglaise « net-shape ») dans lequel toute la -ou quasiment toute la - matière employée fait partie de la pièce finale,
- l’absence de fusion de matière, ce qui permet d’éviter les modifications de composition chimique des ferrites et les fissurations de la pièce au cours de l’impression, et
- la possibilité de réaliser des noyaux de forme « non-démoulables », comme par exemple des formes présentant des cavités internes ; une forme « démoulable » est une forme de pièce que l’on peut obtenir par un procédé de moulage de la pièce ; une forme « non-démoulable » est une forme de pièce que l’on ne peut pas obtenir par un procédé de moulage de la pièce.
Lors d’une troisième étape, on insère dans la chambre un élément 115, 116 ou 117.
Lors d’une quatrième étape, on fixe la première partie 73 et la deuxième partie 74 de sorte que la pièce de jonction 112, 113 ou 11 enferme l'élément 115, 116 ou 117 dans la chambre 79, 110 ou 111.
La pièce de jonction 112, 113 ou 114 est fixée au bras 75, 76 ou 77 contenant la chambre 79, 110 ou 111. La pièce de jonction 112, 113 ou 114 et le bras 75, 76 ou 77 sont fixés contigus l’un à l’autre. Avec cette fixation, le noyau magnétique est formé plus complètement. En particulier, il est possible de former le noyau de sorte que
- le bras 75, 76 ou 77se trouve compris dans une pluralité de bras du noyau magnétique, la pluralité de bras étant agencée selon des arêtes d’un polyèdre convexe, et
- la pièce de jonction 112, 113 ou 114 est comprise dans une pluralité de pièces de jonction du noyau magnétique, chaque pièce de jonction étant située à un sommet du polyèdre. L’insertion d’un élément dans la chambre, puis l’enfermement de l’élément dans la chambre par la fixation de la deuxième partie à la première partie permet de fonctionnaliser le noyau dans la zone de la chambre. Selon la nature de l’élément inséré, cela permet une plus grande liberté de forme du noyau obtenu permettant notamment l’optimisation de l’encombrement des noyaux, l’optimisation de l’intégration des noyaux et la mise en oeuvre de fonctions annexes à la fonction magnétique, comme par exemple une fonction de refroidissement du noyau à travers le passage débouchant.
Lorsque l’impression de la première partie et de la deuxième partie est réalisée à partir d’une poudre de ferrite spinelle par jet de liant ou par dépôt de matière fondue, la fabrication permet une plus grande liberté dans la forme du noyau obtenu car selon dans l’art antérieur les matériaux magnétiques formant le noyau, comme les ferrites spinelles, sont difficilement usinables, en particulier sur de faibles dimensions.
Selon un premier mode de mise en oeuvre du procédé, l'élément peut être choisi parmi un élément en matériau à changement de phase, un élément en matériau amorphe, et un élément en matériau nanocristallin.
Ce premier mode correspond en figure 18 au bras 77 présentant le logement 111 dans lequel est inséré une cartouche 117 d’un matériau à changement de phase ou d’un matériau amorphe, ou d’un matériau nanocristallin.
Le bras 77 dans le noyau une fois fabriqué correspond alors à un bras du deuxième type, du cinquième type ou du septième type. Ce bras 77 présente un logement fermé qui correspond à la chambre 111 une fois qu’elle a été fermée par la pièce de jonction 114 de la deuxième partie 74. Le logement fermé du bras 77 enfermant une cartouche d’un matériau à changement de phase ou d’un matériau amorphe, ou d’un matériau nanocristallin peut remplir différentes fonctions qui ont été présentées précédemment en rapport avec les bras du deuxième type.
Selon un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, l'élément est un tube creux 115, 116 en ferrite comprenant une paroi interne et au moins une ailette 118, 119 qui s’étend radialement à l’intérieur du tube 115, 116 depuis la paroi interne.
Ce deuxième mode correspond en figure 18 aux bras 75 et 76 présentant respectivement les logements 79 et 110 dans lequel sont insérés les tubes creux
115 et 116. Le tube creux 115 est parcouru sur sa paroi interne par une ailette 118 selon une trajectoire hélicoïdale autour de l’axe du bras 75. Le tube creux
116 est parcouru sur sa paroi interne par une ailette 119 selon une trajectoire rectiligne parallèle à l’axe du bras 76.
Le bras 75 de la première partie 73 est fixé à la pièce de jonction 112 de la deuxième partie 74. Le bras 76 de la première partie 73 est fixé à la pièce de jonction 113 de la deuxième partie 74.
Les bras 75 et 76 dans le noyau une fois fabriqué correspondent alors à des bras du troisième type. Ces bras 75 et 76 sont traversés par un passage débouchant s’étendant selon l’axe du cylindre du bras d’une extrémité à l’autre du bras. Les chambres initiales des bras 75 et 76 sont donc ouvertes des deux côtés des cylindres formés par le bras. L’élément inséré dans chacune chambres des bras 75 et 76 est un tube creux en ferrite qui correspond à un manchon creux. De cette manière, les bras 75 et 76 correspondent au second mode de réalisation d’ailette tel qu’on a pu le présenter précédemment.
Le noyau 1 représenté en figure 18 permet la circulation d’un fluide à travers un canal 123 qui traverse les pièces de jonction 112, 120, 122 et 113 ainsi que les bras 75, 121 et 76. Les pièces de jonction 112 et 113 sont chacune traversées d’un conduit qui fait communiquer le canal 123 avec l’extérieur du noyau. Les passages secondaires des bras 75 et 76 dans lesquels s’étendent les ailettes 118 et 119 font partie du canal 123. Les pièces de jonction 120 et 122 sont chacunes traversées d’un conduit interne qui fait communiquer le passage secondaire de l’un des bras 75, 76 avec le passage débouchant le bras 121.
En option, lorsque l’impression de la première partie et de la deuxième partie est réalisée par jet de liant, le procédé comprend, avant l’étape d’insertion, une étape de retrait de grains de poudre séparés du noyau. En particulier, la chambre étant ouverte, les grains de poudre séparés du noyau situés dans la chambre peuvent être sortis de la chambre vers l’extérieur du noyau. Cette opération est appelée « dépoudrage » et permet d’obtenir pour la première partie et la deuxième partie une pièce monobloc sans résidu qui pourrait s’en détacher.
Dans le cas où l’impression de la première partie et de la deuxième partie est réalisée à partir d’une poudre de ferrite spinelle par jet de liant ou par dépôt de matière fondue et que l'élément 117 est choisi parmi un élément en matériau à changement de phase, un élément en matériau amorphe, et un élément en matériau nanocristallin, le procédé comprend avantageusement avant l’étape d’insertion une étape de frittage de la première partie et de la deuxième partie, la fixation étant réalisée ensuite par collage ou vissage.
Le frittage de la première partie et de la deuxième partie permet d’en augmenter la densité. Le frittage permet de diminuer les porosités au sein des pièces frittées. Par exemple, on peut procède à un frittage qui augmente la densité des parties jusqu’à 90% de la densité du matériau qui le compose, soit par exemple ici 90% de la densité de la céramique de ferrite spinelle qui compose les parties.
L’opération de frittage s’accompagne d’une contraction ou d’un retrait des parties, c’est-à-dire que dans les trois dimensions la taille de la première partie et de la deuxième partie est réduite. Ce retrait est pris en compte dans une étape préalable de conception assistée par ordinateur.
La première partie et de la deuxième partie sont frittés séparément. Une fois cette densification réalisée, l’élément est introduit dans la chambre puis les deux parties sont fixé de sorte à enfermer l’élément. Pour cette fixation, les deux parties peuvent être collés, vissés, ou les deux.
Dans le cas où l’impression de la première partie et de la deuxième partie est réalisée à partir d’une poudre de ferrite spinelle par jet de liant et l'élément 116, 117 est un tube creux, le procédé comprend de préférence une fabrication par stéréolithographie du tube creux, et de préférence la fixation est réalisée par co-frittage.
La fabrication par stéréolithographie (SLA) du tube creux permet d’atteindre une meilleure résolution dans le tube creux obtenu, et notamment pour l’ailette 118, 119.
L’opération de co-frittage consiste à placer le tube creux dans la chambre, la première partie et de la deuxième partie l’une contre l’autre puis à réaliser une opération de frittage sur l’ensemble de ces pièces agencées ensemble.
En variante dans ce même cas, on peut réaliser le tube creux par une autre technique que la stéréolithographie, par exemple par jet de liant, et réaliser la fixation par co-frittage.
En option des différentes mises en oeuvre du procédé présentées jusqu’à présent, le procédé peut comprendre en outre une étape de densification par frittage flash (également connu sous l’expression anglaise « Spark Plasma Sintering » abrégée en SPS) à la suite de l’une des étapes de frittage ou à la place de l’un de celles-ci. Cette étape de densification permet de densifier le matériau ferrite à une densité plus importante qu’avec une étape de frittage. La densité du noyau peut atteindre jusqu’à 98% de la densité du matériau qui le compose, par exemple 98% de la densité de la céramique de ferrite spinelle qui compose le matériau. Le frittage flash permet aussi de de conserver une taille de grain fine pour la ferrite. Un cycle frittage flash ou SPS adapté peut être le suivant : température entre 1000°C et 1300°C maintenue pendant 5 à 20 minutes sous une pression uni-axiale de 30-70 MPa.
Fabrication d’un noyau comprenant un entrefer
Au cours du procédé qu’on a pu présenter plus haut, l’étape de fixation de la première partie et de la deuxième partie peut être réalisée par collage. Dans ce cas, le bras de la première partie et la pièce de jonction de la deuxième partie ne sont pas nécessairement en contact direct. Le bras et la pièce de jonction peuvent être séparés et maintenus ensemble par une épaisseur de colle. Cette épaisseur de colle correspond alors à un entrefer sous forme d’une bande de collage tel qu’on a pu le présenter précédemment.
En option des différentes mises en oeuvre du procédé présentées jusqu’à présent, on peut en outre prévoir les étapes suivantes :
- l’impression de la première partie 73 est configurée pour que le bras 75, 76, 77 de la première partie soit un premier bras 75, 76, 77, la première partie comprenant une première portion 78À d’un deuxième bras 78 de la pluralité de bras du noyau magnétique, la première portion 78À étant pleine,
- l’impression de la deuxième partie 74 est configurée pour que la deuxième partie 78À comprenne une deuxième portion 78B du deuxième bras 78, la deuxième portion 78B étant pleine, et
- la fixation de la première partie et de la deuxième partie est configurée pour mettre en regard la première portion et la deuxième portion selon deux faces 78C, 78D s’étendant de manière perpendiculaire à un axe du cylindre correspondant au deuxième bras, la matière située entre les deux faces 78C, 78D étant non magnétique.
Ces étapes sont illustrées en rapport avec le bras 78 de la figure 18. Le bras 78 est formé d’une première portion 78À initialement comprise dans la première partie 73 et d’une deuxième portion 78B initialement comprise dans la deuxième partie 74. La longueur axiale, c’est-à-dire selon l’axe du cylindre correspondant au bras 78, de chacune de la première portion 78À et de la deuxième portion 78B est inférieure à la longueur axiale du bras 78, mesurée entre les pièces de jonction situées aux extrémités du bras 78, les pièces de jonction 122 et 126 en figure 18. Plus précisément, la somme de la longueur axiale de la première portion 78À et de la longueur axiale de la deuxième portion 78B est inférieure aussi à la longueur axiale du bras 78. De cette manière, un espace sépare la première portion 78À et la deuxième portion 78B.
La première portion 78À présente une face 78C perpendiculaire à l’axe du cylindre du bras 78. La deuxième portion 78B présente une face 78D perpendiculaire à l’axe du cylindre du bras 78.
Les deux faces 78C, 78D se situent en regard l’une de l’autre, avec un écart correspond à la différence entre d’une part la longueur axiale du bras 78 et d’autre part la somme de la longueur axiale de la première portion 78À et de la longueur axiale de la deuxième portion 78B.
L’espace entre les faces peut être laissé vide ou bien on peut y placer de la colle.
Dans cette option de mise en oeuvre du procédé, il est possible de positionner un entrefer au sein d’un ou plusieurs bras en fonction du circuit magnétique recherché.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’un noyau magnétique (1 ), le procédé comprenant :
- une impression d’une première partie (73) du noyau magnétique (1 ) comprenant un bras (75, 76, 77), le bras (73) présentant une chambre (79, 110, 111 ) ouverte,
- une impression d’une deuxième partie (74) du noyau magnétique comprenant une pièce de jonction (112, 113, 11 ),
- une insertion d'un élément (115, 116, 117) dans la chambre, et
- une fixation de la première partie et de la deuxième partie de sorte que :
-- la pièce de jonction enferme l'élément dans la chambre,
-- le bras est compris dans une pluralité de bras du noyau magnétique, la pluralité de bras étant agencée selon des arêtes d’un polyèdre convexe, chaque bras formant un cylindre droit, et
-- la pièce de jonction est comprise dans une pluralité de pièces de jonction du noyau magnétique, chaque pièce de jonction étant située à un sommet du polyèdre.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'élément est choisi parmi :
- un élément en matériau à changement de phase,
- un élément en matériau amorphe,
- un élément en matériau nanocristallin, et
- un tube creux (115, 116) en ferrite comprenant une paroi interne et au moins une ailette qui s’étend radialement à l’intérieur du tube depuis la paroi interne.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel l’impression de la première partie et de la deuxième partie est réalisée à partir d’une poudre de ferrite spinelle par jet de liant ou par dépôt de matière fondue.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel l’impression de la première partie et de la deuxième partie est réalisée par jet de liant, le procédé comprenant avant l’étape d’insertion une étape de retrait de grains de poudre séparés du noyau.
5. Procédé selon la revendication 3 dans lequel l'élément (117) est choisi parmi un élément en matériau à changement de phase, un élément en matériau amorphe, et un élément en matériau nanocristallin, le procédé comprenant avant l’étape d’insertion une étape de frittage de la première partie et de la deuxième partie, la fixation étant réalisée par collage ou vissage.
6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'élément (115, 116) est un tube creux, le procédé comprenant une fabrication par stéréolithographie du tube creux, et de préférence la fixation est réalisée par co-frittage.
7. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'élément (115, 116) est un tube creux, la fixation étant réalisée par co-frittage et de préférence le procédé comprend une fabrication par stéréolithographie du tube creux.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel
- l’impression de la première partie (73) est configurée pour que le bras (75, 76, 77) de la première partie soit un premier bras (75, 76, 77), la première partie comprenant une première portion (78À) d’un deuxième bras (78) de la pluralité de bras du noyau magnétique, la première portion (78À) étant pleine,
- l’impression de la deuxième partie (74) est configurée pour que la deuxième partie (78À) comprenne une deuxième portion (78B) du deuxième bras (78), la deuxième portion (78B) étant pleine, et
- la fixation de la première partie et de la deuxième partie est configurée pour mettre en regard la première portion et la deuxième portion selon deux faces (78C, 78D) s’étendant de manière perpendiculaire à un axe du cylindre correspondant au deuxième bras, la matière située entre les deux faces (78C, 78D) étant non magnétique.
9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel la matière située entre les deux faces comprend de la colle.
10. Noyau magnétique obtenu par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, le noyau magnétique comprenant une pluralité de bras, la pluralité de bras étant agencée selon des arêtes d’un polyèdre convexe, chaque bras formant un cylindre droit, un des bras de la pluralité de bras présentant une chambre fermée, la chambre renfermant un élément.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1473862A (en) * 1916-06-19 1923-11-13 Westinghouse Electric & Mfg Co Three-phase reactance coil
IN2014DN03264A (fr) * 2011-10-31 2015-07-10 Hitachi Ltd
CH713573B1 (de) * 2017-03-15 2021-01-29 Eth Zuerich Magnetische Drossel, Umrichterabschnitt und Umrichter.
US11465212B2 (en) * 2019-05-24 2022-10-11 Siemens Ltd., China Electric motor, laminated iron core and manufacturing method therefor
US11887766B2 (en) * 2020-08-24 2024-01-30 Ge Aviation Systems Llc Magnetic component and method of forming
CN114242412B (zh) * 2021-11-04 2024-08-27 华为数字能源技术有限公司 磁元件和电子设备

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