FR2464543A1 - Magnetic energy accumulator for ignition coil - comprising a magnetic iron core with permanent magnet embedded in its middle - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un accumulateur d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire, avec au moins un enroulement, un aimant permanent étant disposé dans l'entrefer et son flux magnétique étant dirigé à l'inverse du flux magnétique produit par le courant continu qui passe dans la bobine. The invention relates to an accumulator of magnetic energy for pulsating direct current, with at least one winding, a permanent magnet being arranged in the air gap and its magnetic flux being directed opposite to the magnetic flux produced by the direct current which passes. in the coil.
L'accumulation d'énergie électrique dans des champs magnétiques trouve des applications de plus en plus nombreuses dans de multiples domaines de l'électrotechnique. Des bobines de self accumulatrices pour éléments de réseau de commutation possèdent de faibles énergies d'accumulation, de l'ordre de grandeur de 0,1 à 5 mjoules, et elles fonctionnent à des fréquences allant jusqu'à 40 z environ; des bobines d'allumage dans des véhicules automobiles ont déjà besoin d'énergies d'accumulation plus élevées de 50 à 15D mjoules; des bobines de self utilisées dans des régulateurs de courant continu de l'électronique de puissance, qui servent par exemple à la commande de moteurs à courant continu, ont des énergies d'accumulation encore plus grandes de 1000 à 10 000 mjoules et davantage. The accumulation of electrical energy in magnetic fields finds more and more applications in multiple fields of electrical engineering. Accumulating inductor coils for switching network elements have low accumulation energies, on the order of magnitude of 0.1 to 5 mjoules, and they operate at frequencies up to about 40 z; ignition coils in motor vehicles already require higher storage energies of 50 to 15D mjoules; choke coils used in direct current regulators of power electronics, which are used for example for the control of direct current motors, have even higher accumulation energies of 1000 to 10 000 mjoules and more.
L'énergie W = 1/2 . L . I2 accumulée essentiellement dans l'entrefer d'un tel accumulateur d'énergie est proportionnelle à l'inductance et au carré du courant. Etant donné que l'in- tensité du courant est fixée a priori par les conditions particulières de l'application considérée, on ne peut faire varier l'éner-. The energy W = 1/2. L. I2 essentially accumulated in the air gap of such an energy accumulator is proportional to the inductance and the square of the current. Since the intensity of the current is fixed a priori by the particular conditions of the application considered, the energy cannot be varied.
gie qu'il est possible d'accumuler dans une bobine de sel déterminée qu'en agissant sur l'inductance. C'est pourquoi le problème essentiel, dans la mise au point d'accumulateurs d'énergie magnétique, est l'établissement de l'inductance L. Les facteurs déterminants pour la valeur de l'inductance L sont le nombre de spires n de la bobine, qui intervient quadratiquement, ainsi que la surface d'entrefer Ftet la longueur d'entrefer tt. A partir de ces grandeurs déterminantes, on calcule l'inductance L d'après la formule L = uO . n2 . Ft/Lt. Pour obtenir un rapport optimal B de l'entrefer, on fabrique en règle générale la majeure partie de la bobine de self en une matière possédant une conductivité magnétique élevée que l'on utilise jusqu'à la limite de saturation. It is possible to accumulate in a determined salt coil only by acting on the inductance. This is why the essential problem, in the development of magnetic energy accumulators, is the establishment of the inductance L. The determining factors for the value of the inductance L are the number of turns n of the coil, which intervenes quadratically, as well as the airgap surface Ft and the airgap length tt. From these determining quantities, the inductance L is calculated according to the formula L = uO. n2. Ft / Lt. In order to obtain an optimal ratio B of the air gap, the major part of the inductor is generally made of a material having a high magnetic conductivity which is used up to the saturation limit.
En raison de la saturation de la matière magnétique, l'augmentation de l'inductance et, par suite, l'accroissement de la capacité d'accumulation peuvent être obtenus, non pas en réduisant la longueur de l'entrefer, mais seulement en augmentant la section transversale du noyau. Due to the saturation of the magnetic material, the increase in the inductance and, consequently, the increase in the accumulation capacity can be obtained, not by reducing the length of the air gap, but only by increasing the cross section of the core.
La capacité d'accumulation d'accumulateurs d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire est en outre amoindrie par le fait que la matière magnétique n'est attaquée qu'unilatéralement. The storage capacity of magnetic energy accumulators for pulsating direct current is further reduced by the fact that the magnetic material is only attacked on one side.
Pour cette raison, une boucle d'hystérèse en cas de magnétisation par impulsions a une allure différente de celle que l'on obtient en cas de magnétisation alternative. Le début de la boucle d'impulsons est le point de rémanence sur la boucle d'hystérèse, point qui s'établit après l'application d'une ou de plusieurs impulsions.For this reason, a hysteresis loop in the case of pulse magnetization has a different appearance from that which is obtained in the case of alternative magnetization. The beginning of the impulse loop is the remanence point on the hysteresis loop, a point which is established after the application of one or more impulses.
En cas de magnétisation périodique par impulsions, une boucle s'étendra entre le point de rémanence et le point de saturation.In the case of periodic pulse magnetization, a loop will extend between the remanence point and the saturation point.
L'écart entre induction rémanente et induction de saturation correspond à l'excursion d'induction qui peut être atteinte au maximum et qui représente de son c8té une mesure en ce qui concerne l'énergie susceptible d'être accumulée au maximum. Certes, il est possible, par le choix de matières magnétiques appropriées et par un grand entrefer, d'abaisser le point de rémanence et de parvenir de la sorte à une excursion plus grande de l'induction. Mais en dépit de toutes ces mesures, l'excursion de l'induction est inférieure à la moitié de l'excursion d'induction qui existe en cas de magnétisation par courant alternatif.The difference between remanent induction and saturation induction corresponds to the induction excursion which can be reached to the maximum and which represents for its part a measure with regard to the energy likely to be accumulated to the maximum. Admittedly, it is possible, by the choice of suitable magnetic materials and by a large air gap, to lower the point of remanence and thus to reach a greater excursion of induction. But despite all these measures, the induction excursion is less than half of the induction excursion which exists in the case of AC magnetization.
La présente invention a pour but d'accroître dans une mesure notable la capacité d'accumulation d'un accumulateur d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire. The object of the present invention is to increase to a considerable extent the storage capacity of a magnetic energy accumulator for pulsating direct current.
Ce bcctest affeint par le fait que 1 'aimant permanent bemWiun entrefer disposé obliquement, par le fait en outre que le noyau est pré-magnétisé jusqu'à la saturation par l'aimant permanent et par le fait que l'aimant permanent est fait d'un alliage de terres rares et de cobalt, par exemple SE-CO5. This is underlined by the fact that the permanent magnet bemWiun gap disposed obliquely, by the fact further that the core is pre-magnetized to saturation by the permanent magnet and by the fact that the permanent magnet is made of 'an alloy of rare earths and cobalt, for example SE-CO5.
il en résulte ces avantages que l'excursion de l'induction peut être plus que doublée par rapport à un accumulateur d'énergie sans aimant permanent, ce qui fait que la capacité d'ac cumulation en ce qui concerne l'énergie magnétique est elle aussi plus que doublée et qu'ainsi il est possible de parvenir, soit à une puissance d'accumulation plus que doublée sans modification des dimensions, soit à une diminution appréciable des dimensions sans modification de la puissance d'accumulation. it follows from these advantages that the excursion of the induction can be more than doubled compared to an energy accumulator without permanent magnet, which makes that the capacity of accumulation as regards magnetic energy is it also more than doubled and thus it is possible to achieve either a more than doubled accumulation power without modification of the dimensions, or an appreciable reduction in the dimensions without modification of the accumulation power.
Certes, on savait déjà que, dans le cas de translateurs d'impulsions utilisés dans la technique des communications électriques, de même que dans le cas de bobines de self et de bobines d'allumage, on peut parvenir à une augmentation de l'excursion des impulsions et, par suite, de la tension secondaire par une prémagnétisation du noyau magnétique avec un champ continu. Dans le cas présent, l'aimant permanent remplit complètement l'entrefer. Admittedly, it was already known that, in the case of pulse translators used in the technique of electrical communications, as well as in the case of inductor coils and ignition coils, it is possible to achieve an increase in the excursion. pulses and, therefore, secondary voltage by premagnetizing the magnetic core with a continuous field. In this case, the permanent magnet completely fills the air gap.
De cette manière, le flux total de courant magnétique produit par l'aimant permanent sert à la pré-magnétisation du noyau magnétique. De préférence, l'aimant permanent est choisi de telle manière qutil pré-magnétise le noyau magnétique jusqu'à la saturation.In this way, the total flow of magnetic current produced by the permanent magnet is used to pre-magnetize the magnetic core. Preferably, the permanent magnet is chosen in such a way that it pre-magnetizes the magnetic core until saturation.
On dispose de la sorte de I'excurson maximale possible de l'induc- tion et, par suite, de la capacité maximale possible d'accumulation.In this way we have the maximum possible excursion of induction and, consequently, the maximum possible capacity of accumulation.
D'après un développement préféré de l'invention, le noyau qui est fait de t81e électrique à grains orientés se compose de deux moitiés symétriques et présente une section en M, l'entre- fer étant disposé obliquement dans la branche du milieu. Tandis que la position inclinée de l'entrefer est sans influence sur le flux magnétique produit par la bobine, on peut mettre en oeuvre un aimant permanent d'autant plus grand que la position inclinée est plus prononcée. De cette manière, les propriétés de l'aimant permament et du noyau magnétique peuvent être adaptées les unes aux autres. According to a preferred development of the invention, the core which is made of electric grain oriented grain consists of two symmetrical halves and has a section in M, the gap being arranged obliquely in the middle branch. While the inclined position of the air gap has no influence on the magnetic flux produced by the coil, a permanent magnet can be used the larger the inclined position is more pronounced. In this way, the properties of the permanent magnet and the magnetic core can be adapted to each other.
Par ailleurs, l'invention prévoit que les enroulements secondaire et primaire soient enrobés en commun dans une résine époxy à deux éléments, par coulée sous vide ou par eneastrement par injection. Furthermore, the invention provides that the secondary and primary windings are coated in common in a two-part epoxy resin, by vacuum casting or by injection coating.
L'invention va être expliquée de façon plus détaillée à l'aide des dessins ci-annexés, à propos d'un exemple de réalisation relatif à un système à trois branches. Cette explication est également valable pour n'importe quel autre système magnétique. The invention will be explained in more detail with the aid of the appended drawings, in connection with an exemplary embodiment relating to a system with three branches. This explanation is also valid for any other magnetic system.
La figure 1 représente en perspective un accumulateur d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire. Figure 1 shows in perspective an accumulator of magnetic energy for pulsating direct current.
La figure 2 reproduit la courbe d'hystérèse relative à une matière magnétique ferromagnétique. Figure 2 shows the hysteresis curve for a ferromagnetic magnetic material.
Sur la figure 1, on distingue un noyau de fer à trois branches du commerce qui se compose de deux moitiés symétriques 1, 2 fabriquées en t81e électrique à grains orientés. Les deux moitiés de noyau 1, 2 peuvent être séparées le long de la ligne de joint 3. Dans la branche du milieu 9 se trouve un entrefer oblique 4. Dans l'entrefer 4 est inséré un aimant permanent 5. Grâce à la disposition oblique de l'entrefer 4 et de l'aimant permanent 5, il est possible de choisir pour l'aimant permanent 5 des dimensions plus grandes que ce qui correspond à la largeur de la branche du milieu 9. Sur la branche du milieu 9 se trouve par ailleurs une bobine 6 formée par enroulement de fil de cuivre, bobine à travers laquelle est envoyé un courant continu pulsatoire.Le flux magnétique produit par l'aimant permanent 5 est indiqué par une ligne discontinue 7, tandis que le flux magnétique produit par le courant continu qui passe dans la bobine 6 est représenté par une ligne discontinue 8. On peut voir que le sens du flux magnétique 7 produit par l'aimant permanent 5 est l'inverse de celui du flux magnétique produit par la bobine 6. Par le choix d'un aimant 5 approprié, on peut éviter que le champ magnétique produit par la bobine 6 ne nuise aux caractéristiques magnétiques permanentes de l'aimant 5. il a été constaté que des aimants permanents à base d'oxydes de cobalt et de terres rares ne pouvaient pas être démagnétisés, même par des champs inverses intenses. In Figure 1, there is a three-branched iron core of commerce which consists of two symmetrical halves 1, 2 made of electric grain oriented grain. The two core halves 1, 2 can be separated along the joint line 3. In the middle branch 9 there is an oblique air gap 4. In the air gap 4 is inserted a permanent magnet 5. Thanks to the oblique arrangement of the air gap 4 and of the permanent magnet 5, it is possible to choose for the permanent magnet 5 dimensions larger than that which corresponds to the width of the middle branch 9. On the middle branch 9 is located also a coil 6 formed by winding copper wire, coil through which a pulsating direct current is sent.The magnetic flux produced by the permanent magnet 5 is indicated by a broken line 7, while the magnetic flux produced by the direct current passing through the coil 6 is represented by a broken line 8. It can be seen that the direction of the magnetic flux 7 produced by the permanent magnet 5 is the opposite of that of the magnetic flux produced by the coil 6. By the choice of a suitable magnet 5, we p could prevent the magnetic field produced by the coil 6 from damaging the permanent magnetic characteristics of the magnet 5. it was found that permanent magnets based on cobalt and rare earth oxides could not be demagnetized, even by intense reverse fields.
On se réfèrera à la figure 2 pour expliquer le mode de fonctionnement de l'invention. Reference will be made to FIG. 2 to explain the mode of operation of the invention.
On distingue deux courbes d'hystérèse I, II dans un système de coordonnées rectangulaires sur lequel on a porté en abscisses l'intensité de champ H et en ordonnées l'induction B. There are two hysteresis curves I, II in a system of rectangular coordinates on which the field strength H has been plotted on the x-axis and the induction B on the y-axis.
Une bobine de self de type classique se trouve au point de rémanence R après plusieurs impulsions de courant continu et sans qu'un courant ne passe à travers la bobine. Dès qu'une nouvelle impulsion de courant continu passe à travers la bobine, produisant une.excursion de l'intensité de champ de grandeur AH1, la magnétisation du noyau croit suivant la courbe d'hystérèse II jusqu'au point de saturation S, où l'intensité de champ de saturation +HS et l'induction de saturation +BS s'étàblissent. Dès que le courant dans la bobine redisparatt, la courbe d'hystérèse II suit la branche supérieure pour revenir au point de rémanence R.On peut voir immédiatement qu'en dépit de la grande excursion de l'intensité de champ dH1, il n'est suivi qu'une petite excursion d'inductionB1. A conventional type choke coil is at the remanence point R after several pulses of direct current and without a current passing through the coil. As soon as a new direct current pulse passes through the coil, producing an excursion of the field intensity of magnitude AH1, the magnetization of the nucleus increases along the hysteresis curve II up to the saturation point S, where the saturation field intensity + HS and the saturation induction + BS decrease. As soon as the current in the coil redisparatt, the hysteresis curve II follows the upper branch to return to the point of remanence R. We can immediately see that despite the great excursion of the field intensity dH1, it doesn ' is followed by a small induction excursion B1.
D'après cela, une bobine de self de ce genre n'a également qu'une faible capacité d'accumulation pour l'énergie magnétique. According to this, a self-winding coil of this kind also has only a low storage capacity for magnetic energy.
Par la mise en place d'un aimant permanent dans l'en- trefer, le noyau magnétique réalisé sous une forme appropriée est préagnétisé, par exemple jusqu'à son point de saturation négative
T où s'établissent l'intensité de champ de saturation négative Hs et, par suite aussi, l'induction négative -B. A ce moment, dès qu'une impulsion de courant passe à travers la bobine, la courbe d'hystérèse I suit la branche inférieure à partir du point T, en passant par le point U vers le point V et, de là, vers le point S.By placing a permanent magnet in the air, the magnetic core made in an appropriate form is pre-magnetized, for example to its negative saturation point
T where the negative saturation field intensity Hs and therefore the negative induction -B are established. At this moment, as soon as a current pulse passes through the coil, the hysteresis curve I follows the lower branch from point T, passing through point U towards point V and, from there, towards the point S.
Dès que le courant dans la bobine redisparaît, la courbe d'hystérèse I suit la branche supérieure à partir du point de saturation positive S, passant par le point de rémanence R vers le point coercitif K, pour revenir au point de saturation négative T.On voit immédiatement que l'excursion d'intensité de champt H2 est doublée par rapport à l'excursion d'intensité de champ1 , c'est- à-dire qu'il faudrait appliquer le double de courant. Mais on peut également voir que l'excursion d'induction t B2 qui s'établit dans ces conditions est plus que doublée par rapport à l'excursion d'in duction #B1; dans l'exemple présent, elle serait 4,5 fois plus grande.As soon as the current in the coil disappears, the hysteresis curve I follows the upper branch from the positive saturation point S, passing through the remanence point R towards the coercive point K, to return to the negative saturation point T. We immediately see that the field intensity excursion H2 is doubled compared to the field intensity excursion1, that is to say, the current double should be applied. But we can also see that the induction excursion t B2 which is established under these conditions is more than doubled compared to the induction excursion # B1; in the present example, it would be 4.5 times larger.
Certes, les pertes produites par l'inversion de magnétisation dans le noyau magnétique augmentent également, comme on peut le constater en comparant les surfaces délimitées par les courbes d'hystérèse I et II. Mais étant donné qu'en raison de l'insertion d'un aimant permanent dans l'entrefer, le volume de matière magnétique du noyau peut être réduit, pour une capacité d'accumulation donnée, dans la même mesure qu'augmente l'excursion d'induction, les pertes du noyau restent au total pratiquement constantes. Admittedly, the losses produced by the inversion of magnetization in the magnetic core also increase, as can be seen by comparing the surfaces delimited by the hysteresis curves I and II. But since, due to the insertion of a permanent magnet in the air gap, the volume of magnetic material of the core can be reduced, for a given accumulation capacity, to the same extent as the excursion increases induction, the losses of the nucleus remain practically constant in total.
Pour l'isolation de la tension, les enroulements primaire et secondaire sont enrobés en commun dans une résine époxy à deux éléments par coulée sous vide ou par encastrement par injection. For voltage isolation, the primary and secondary windings are coated together in a two-part epoxy resin by vacuum casting or by injection molding.
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