FR2698219A1 - Transmission installation enabling electrical power transmission to load without mechanical contact - has transformer with one fixed coil and series pair of mechanically linked floating coils on core in closed figure of eight - Google Patents
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Abstract
Description
INSTALLATION DE TRANSMISSION,SANS CONTACT, DE PUISSANCE
ELECTRIQUE
La présente invention se rapporte à une installation de transmission, sans contact, de puissance électrique à une charge.CONTACTLESS POWER TRANSMISSION INSTALLATION
ELECTRIC
The present invention relates to an installation for transmitting, without contact, electrical power to a load.
I1 existe de nombreuses configurations pour lesquelles une charge doit être le plus possible isolée du monde extérieur, afin en particulier d'éviter que des vibrations ne puissent lui être transmises. There are numerous configurations for which a load must be as far as possible isolated from the outside world, in particular in order to avoid that vibrations cannot be transmitted to it.
Dans un satellite faisant par exemple partie d'un programme spatial scientifique, il est souhaitable qu'une "charge utile", constituée par exemple par des appareils de mesure ou par des essais expérimentaux, soit au maximum isolée des vibrations en vol du satellite. In a satellite forming, for example, part of a scientific space program, it is desirable that a "payload", constituted for example by measuring devices or by experimental tests, is at most isolated from the vibrations in flight of the satellite.
Cette charge utile étant elle-même montée sur un organe de support, communément dénommé "plateforme", la meilleure solution pour s ' affranchir de ces vibrations consiste alors à prévoir, en apesanteur, cette plateforme "flottante" dans une enveloppe. Les commandes sont alors transmises de 1' enveloppe à la charge utile par transmission à rayons infra-rouge, et la puissance électrique est fournie à cette charge utile par l'intermédiaire d ' au moins un transformateur d'énergie à secondaire flottant. L'énergie thermique qui résulte soit de la transformation de l'énergie électrique, soit d'une autre transformation (par exemple chimique), est évacuée à 1' aide d'un ensemble d ' ailettes radiatrices. This payload being itself mounted on a support member, commonly called "platform", the best solution to overcome these vibrations then consists in providing, in weightlessness, this "floating" platform in an envelope. The commands are then transmitted from the envelope to the payload by infrared ray transmission, and the electrical power is supplied to this payload by means of at least one energy transformer with floating secondary. The thermal energy which results either from the transformation of electrical energy, or from another transformation (for example chemical), is evacuated by means of a set of radiating fins.
Un transformateur flottant classique 5 est représenté schématiquement, en perspective, sur la figure 1 Jointe. I1 comporte une carcasse magnétique 1, une bobine d'enroulement primaire 2 qui est bobinée serrée autour de la carcasse magnétique 1, et une bobine d'enroulement secondaire 3 qui est bobinée autour de la carcasse magnétique sans toucher cette dernière, en laissant donc libre un espace d'air 4 entre cette carcasse 1 et cette bobine 3. A conventional floating transformer 5 is shown diagrammatically, in perspective, in FIG. 1 attached. I1 comprises a magnetic carcass 1, a primary winding coil 2 which is wound tightly around the magnetic carcass 1, and a secondary winding coil 3 which is wound around the magnetic carcass without touching the latter, thus leaving it free an air space 4 between this carcass 1 and this coil 3.
Le secondaire 3 alimente une charge utile qui est prévue par exemple flottante ou du moins très bien isolée de l'environnement extérieur. Elle est en conséquence fixée mécaniquement sur cette charge. The secondary 3 supplies a payload which is provided for example floating or at least very well isolated from the external environment. It is therefore mechanically fixed to this load.
La carcasse i, et donc aussi l'enroulement primaire 2, est alors rendue solidaire du chassis porteur qui peut donc être soumis à des sollicitations mécaniques, telles que des vibrations. The carcass i, and therefore also the primary winding 2, is then made integral with the carrying frame which can therefore be subjected to mechanical stresses, such as vibrations.
Ces sollicitations ne doivent en aucun cas être transmises à la charge utile, ce qui explique l'utilisation du secondaire "flottant" 3.These requests must in no case be transmitted to the payload, which explains the use of the "floating" secondary 3.
Un inconvénient de l'utilisation d ' un tel transformateur flottant, inconvénient qui est même totalement prohibitif en apesanteur lorsque la charge utile et 1' enroulement secondaire sont laissés flottants, réside dans la "force statique" F qui tend, comme représenté par la flèche sur la Figure 1, à ramener la bobine secondaire 3 flottante vers la bobine primaire 2 fixe. A drawback of using such a floating transformer, a drawback which is even completely prohibitive in weightlessness when the payload and the secondary winding are left floating, lies in the "static force" F which tends, as shown by the arrow in Figure 1, to bring the floating secondary coil 3 to the fixed primary coil 2.
L ' intervalle d' air 4 est en effet traversé par un flux de fuite qui est plus intense à l'intérieur de la boucle définie par la carcasse magnétique qu'à l'extérieur de cette boucle. I1 va en conséquence s'exercer sur l'enroulement flottant 3 une force électromagnétique F, dite "force statique", qui va avoir tendance à entrainer le déplacement de l'enroulement flottant 3 vers l'enroulement fixe 2. The air gap 4 is in fact crossed by a leakage flow which is more intense inside the loop defined by the magnetic carcass than outside this loop. I1 will therefore exert on the floating winding 3 an electromagnetic force F, called "static force", which will tend to cause the displacement of the floating winding 3 towards the fixed winding 2.
En apesanteur, l'enroulement 3 va finalement venir se coller contre la carcasse 1, ce qui annule 1' effet de transmission sans contact souhaité et rend donc inopérant le transformateur flottant 5. In weightlessness, the winding 3 will finally come to stick against the carcass 1, which cancels out the desired contactless transmission effect and therefore makes the floating transformer 5 inoperative.
Par ailleurs, contrairement à ce que l'on croit de prime abord, le fait de prévoir cet intervalle d' air 4 entre la carcasse 1 reliée au milieu environnant et la bobine secondaire 3 reliée à la charge utile ne suffit pas à assurer une isolation mécanique parfaite de cette charge. Furthermore, contrary to what is believed at first glance, the fact of providing this air gap 4 between the carcass 1 connected to the surrounding medium and the secondary coil 3 connected to the payload is not sufficient to ensure insulation. perfect mechanics of this load.
I1 faut en effet en particulier compter avec la "raideur" électromagnétique du transformateur flottant, qui est justement due à cet espace d' air 4 et aux lignes de fuite du champ magnétique qui traversent ce même espace d'air. It is in fact particularly necessary to reckon with the electromagnetic "stiffness" of the floating transformer, which is precisely due to this air space 4 and to the vanishing lines of the magnetic field which pass through this same air space.
En supposant la carcasse 1 bien centrée par rapport à la bobine secondaire 3, tout déplacement relatif d va entrainer, selon une loi fondamentale bien connue, 1' apparition de forces électromagnétiques F qui vont naturellement tendre à s 'opposer à ce déplacement d. Assuming the carcass 1 well centered with respect to the secondary coil 3, any relative displacement d will cause, according to a well-known fundamental law, the appearance of electromagnetic forces F which will naturally tend to oppose this displacement d.
La force électromagnétique F de rappel s exprime, en fonction du déplacement relatif d, sous la forme:
F = K.d le facteur K étant la "raideur" du transformateur flottant.The restoring electromagnetic force F is expressed, as a function of the relative displacement d, in the form:
F = Kd the factor K being the "stiffness" of the floating transformer.
I1 en résulte que, cette raideur K étant d'autant plus importante que la puissance transmise est élevée, le transformateur flottant va malheureusement transmettre au secondaire, malgré l'espace d'air 4, une proportion souvent prohibitive des vibrations ou autres déplacements mécaniques fortuits du primaire 2. I1 follows that, this stiffness K being all the more important that the transmitted power is high, the floating transformer will unfortunately transmit to the secondary, despite the air space 4, an often prohibitive proportion of vibrations or other accidental mechanical displacements from primary 2.
Pour ces fortes puissances, 1 ' utilisation de câbles souples pour remplacer la liaison à transformateur flottant n'est pas concevable, en raison de la section importante des câbles nécessaire. For these high powers, the use of flexible cables to replace the floating transformer link is not conceivable, because of the large section of cables required.
L ' invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à une installation de transmission, sans contact, de puissance électrique à une charge, cette transmisson s'effectuant par au moins un transformateur flottant, c'est-à-dire un transformateur ayant une carcasse magnétique sur laquelle sont bobinés le ou les enroulements primaires d'une part et le ou les enroulements secondaires d'autre part, mais soit ces enroulements primaires soit ces enroulements secondaires étant montés flottants sur cette carcasse magnétique, caractérisée en ce que
- cette carcasse magnétique est un cadre qui, de manière connue en soi, possède un plan de symétrie le divisant en deux moitiés égales
- l'enroulement flottant, par exemple le secondaire, est en fait constitué de deux enroulements identiques qui sont, sur ce cadre, positionnés symétriquement par rapport à ce plan de symétrie
- ces deux enroulements flottants identiques sont rendus mécaniquement solidaires
- l'enroulement non flottant, par exemple le primaire, est positionné sur ce cadre de manière à induire un flux magnétique identique dans chacun de ces deux enroulements flottants ; et
- ces deux enroulements flottants sont branchés en série, de manière à être parcourus par des courants égaux et de même sens.The invention aims to remedy these drawbacks. To this end, it relates to an installation for transmitting, without contact, electrical power to a load, this transmission being effected by at least one floating transformer, that is to say a transformer having a magnetic carcass on which are wound the primary winding (s) on the one hand and the secondary winding (s) on the other hand, but either these primary windings or these secondary windings are mounted floating on this magnetic carcass, characterized in that
- This magnetic carcass is a frame which, in a manner known per se, has a plane of symmetry dividing it into two equal halves
- the floating winding, for example the secondary, is in fact made up of two identical windings which are, on this frame, positioned symmetrically with respect to this plane of symmetry
- these two identical floating windings are made mechanically integral
- the non-floating winding, for example the primary, is positioned on this frame so as to induce an identical magnetic flux in each of these two floating windings; and
- These two floating windings are connected in series, so as to be traversed by equal currents and in the same direction.
Avantageusement en outre, cette installation est équipée de moyens pour appliquer la puissance électrique à au moins l'enroulement flottant de ce transformateur sous forme d'une puissance dont la tension est, à puissance égale, beaucoup plus élevée que la tension appliquée à l'entrée de ladite installation, et dont en conséquence le courant est beaucoup plus faible que le courant correspondant à l'entrée de cette installation, de sorte que finalement la raideur électromagnétique de ce transformateur flottant est diminuée en raison de la diminution corrélative de l'intensité du courant qui parcourt le ou les enroulements flottants de ce transformateur. Advantageously also, this installation is equipped with means for applying the electrical power to at least the floating winding of this transformer in the form of a power whose voltage is, at equal power, much higher than the voltage applied to the input of said installation, and of which consequently the current is much weaker than the current corresponding to the input of this installation, so that ultimately the electromagnetic stiffness of this floating transformer is reduced due to the corresponding decrease in intensity current flowing through the floating winding (s) of this transformer.
L ' invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante d ' un exemple non limitatif de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel
Figure déjà décrite précédemment, représente un transformateur flottant classique de rapport 1/1;
Figure 2 représente un premier exemple de transformateur flottant pouvant être utilisé dans une installation conforme à l'invention.The invention will be clearly understood, and its advantages and other characteristics will emerge during the following description of a non-limiting example of embodiment, with reference to the appended schematic drawing in which
Figure already described above, represents a conventional floating transformer with a 1/1 ratio;
Figure 2 shows a first example of a floating transformer that can be used in an installation according to the invention.
Figure 3 est un schéma électrique synoptique de cette installation ; et Figures 4 et 5 sont respectivement une vue en perspective partielle et une vue en coupe longitudinale d ' un deuxième exemple de réalisation de ce transformateur flottant. Figure 3 is a block electrical diagram of this installation; and Figures 4 and 5 are respectively a partial perspective view and a longitudinal sectional view of a second embodiment of this floating transformer.
En se référant à la figure 2, le transformateur flottant 6, de rapport de transformation 1/1 par exemple, possède une carcasse magnétique 7 sous forme de cadre "en huit" définissant trois branches parallèles dont une branche centrale 8 et deux branches d'extrémité 9 et 10, l'ensemble de ce cadre 7 étant symétrique par rapport au plan médian il qui contient l'axe de la branche centrale 8. Referring to FIG. 2, the floating transformer 6, of transformation ratio 1/1 for example, has a magnetic carcass 7 in the form of an "eight" frame defining three parallel branches including a central branch 8 and two branches of end 9 and 10, the whole of this frame 7 being symmetrical relative to the median plane it which contains the axis of the central branch 8.
L ' enroulement primaire de ce transformateur 6 est constitué par une bobine 21 qui, à l'instar de la bobine 2 de
Figure 1, est montée en contact étroit sur la branche centrale 8.The primary winding of this transformer 6 is constituted by a coil 21 which, like the coil 2 of
Figure 1, is mounted in close contact on the central branch 8.
La bobine 21 comporte un nombre entier N de spires.The coil 21 has an integer number N of turns.
L'enroulement secondaire de ce transformateur 6 est constitué par deux bobines 31 et 32 qui, à l'instar de la bobine 3 de Figure i, sont chacune prévues "flottantes" respectivement autour de la branche 9 et de la branche 10. The secondary winding of this transformer 6 consists of two coils 31 and 32 which, like the coil 3 in Figure i, are each provided "floating" respectively around the branch 9 and the branch 10.
Ces deux bobines 31 et 32 sont pratiquement identiques et ont chacune un nombre de spires égal à N/2, c'est-à-dire à la moitié du nombre de spires N de l'enroulement primaire 21. Du point de vue electrique, elles sont connectées en série, de façon à être à chaque instant parcourues par' un courant I de même intensité et de même sens. Compte-tenu du fait que le flux magnétique B est, dans chacune des branches 9 et 10, lui aussi à chaque instant symétrique par rapport au plan 11, il s'ensuit qu' avec les configurations représentées en Figures 2 et 3, les enroulements 31 et 32 sont alors alimentés en sens inverse comme représenté. These two coils 31 and 32 are practically identical and each have a number of turns equal to N / 2, that is to say half the number of turns N of the primary winding 21. From an electrical point of view, they are connected in series, so as to be traversed at all times by a current I of the same intensity and the same direction. Given the fact that the magnetic flux B is, in each of the branches 9 and 10, also at each instant symmetrical with respect to the plane 11, it follows that with the configurations shown in Figures 2 and 3, the windings 31 and 32 are then supplied in the opposite direction as shown.
Les deux bobines flottantes 31 et 32, qui constituent donc le secondaire de ce transformateur 6, sont par ailleurs rendues mécaniquement solidaires par deux pièces rigides d ' accouplement 12 et 13 qui sont vissées sur ces bobines. Elles sont en outre rendues mécaniquement solidaires de la charge flottante au moyen d'une liaison mécanique 14. The two floating coils 31 and 32, which therefore constitute the secondary of this transformer 6, are moreover mechanically secured by two rigid coupling parts 12 and 13 which are screwed onto these coils. They are also made mechanically integral with the floating load by means of a mechanical connection 14.
L ' ensemble du transformateur 6 étant électriquement et mécaniquement symétrique par rapport au plan 11, il s'ensuit que la force statique F1 qui s'exerce sur la bobine 31 est égale et opposée à la force statique F2 qui s'exerce sur la bobine 32. Ces deux forces s 'annulent de sorte que finalement la force statique résultante sur le secondaire flottant 31 et 32 du transformateur 6 est nulle. The assembly of the transformer 6 being electrically and mechanically symmetrical with respect to the plane 11, it follows that the static force F1 which is exerted on the coil 31 is equal and opposite to the static force F2 which is exerted on the coil 32. These two forces cancel each other out so that finally the resulting static force on the floating secondary 31 and 32 of the transformer 6 is zero.
En se reportant à la figure 3, il s'agit d'une installation de transmission d'une puissance continue P à une charge Z, cette transmission de puissance s ' effectuant, de façon à isoler mécaniquement le mieux possible cette charge Z, à travers un transformateur flottant 6, de rapport de transformation 1/1, identique à celui représenté en Figure 2 et décrit ci-dessus. Referring to FIG. 3, this is an installation for transmitting a continuous power P to a load Z, this power transmission being carried out so as to mechanically isolate this load Z as much as possible, at through a floating transformer 6, of transformation ratio 1/1, identical to that shown in Figure 2 and described above.
Pour pouvoir utiliser ce transformateur 6, il est classiquement prévu un circuit 15 de conversion de puissance continue en puissance alternative (ou "convertisseur DC/AC") en entrée 16 de l'installation, et symétriquement de même un circuit 17 de conversion de puissance alternative en puissance continue (ou "convertisseur AC/DC") en sortie de l'installation. To be able to use this transformer 6, there is conventionally provided a circuit 15 for converting continuous power into alternating power (or "DC / AC converter") at input 16 of the installation, and symmetrically likewise a circuit 17 for converting power alternative in direct power (or "AC / DC converter") at the outlet of the installation.
Conformément à l'invention, et afin de diminuer au maximum la raideur électromagnétique du transformateur flottant 6, des moyens sont prévus pour, à puissance transmise égale, faire fonctionner le transformateur 6 sous tension primaire et secondaire élevées, et donc avec des courants primaire et secondaire faibles. In accordance with the invention, and in order to minimize the electromagnetic stiffness of the floating transformer 6, means are provided for, at equal transmitted power, operating the transformer 6 under high primary and secondary voltage, and therefore with primary and secondary weak.
Ces moyens consistent à prévoir
entre le convertisseur DC/AC 15 et le primaire 21 du transformateur flottant 6 un transformateur élévateur de tension 18 à petit rapport de transformation primaire/secondaire, par exemple de 1/6 permettant de passer de 50 volts à 300 volts environ; et
entre le secondaire flottant 31,32 du transformateur 6 et le convertisseur AC/DC 17 un transformateur abaisseur de tension 19 à grand rapport de transformation primaire/secondaire, ce rapport étant préférentiellement inverse de celui du transformateur 18, et donc égal à 6/1 dans cet exemple.These means consist of
between the DC / AC converter 15 and the primary 21 of the floating transformer 6 a voltage step-up transformer 18 with a small primary / secondary transformation ratio, for example of 1/6 making it possible to go from 50 volts to approximately 300 volts; and
between the floating secondary 31.32 of the transformer 6 and the AC / DC converter 17 a step-down transformer 19 with a large primary / secondary transformation ratio, this ratio being preferably inverse to that of the transformer 18, and therefore equal to 6/1 in this example.
Le courant qui traverse les enroulements, primaire et secondaire du transformateur 6, et en particulier celui qui traverse son secondaire flottant 31,32, étant très faible, la raideur électromagnétique de ce transformateur flottant 6 est en conséquence très faible. The current which passes through the windings, primary and secondary of the transformer 6, and in particular that which passes through its floating secondary 31, 32, being very low, the electromagnetic stiffness of this floating transformer 6 is consequently very low.
Les figures 4 et 5 montrent un exemple de réalisation pratique du transformateur flottant selon Figure 2, appliqué au cas de la transmission de fortes puissances. Figures 4 and 5 show a practical embodiment of the floating transformer according to Figure 2, applied to the case of the transmission of high powers.
Dans ce cas, l'enroulement primaire 21 ne comporte que deux spires (figure 4), tandis, que les deux enroulements secondaires 31 et 32 ne comportent qu'une seule spire. Les enroulements 31, 32 et leur liaison de solidarisation mécanique 12 sont réalisés par pliages à partir d'une seule et unique bande métallique rigide 20. In this case, the primary winding 21 has only two turns (Figure 4), while the two secondary windings 31 and 32 have only one turn. The windings 31, 32 and their mechanical fastening link 12 are produced by folding from a single rigid metal strip 20.
Des cosses d'entrée 22 et de sortie 23 sont prévues respectivement pour le primaire 21 et le secondaire 31, 32 de ce transformateur. Input lugs 22 and output lugs 23 are provided respectively for the primary 21 and the secondary 31, 32 of this transformer.
Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d' être décrits. C ' est ainsi que le transformateur flottant 6 pourrait avoir une carcasse magnétique 7 d 'autre forme. Dans le cas d une carcasse rectangulaire simple, telle que la carcasse 1 de Figure 1, 1 'enroulement primaire peut alors être prévu en un endroit libre quelconque de celle-ci. C ' est ainsi également que 1 'utilisation de transformateurs élévateur 18 puis abaisseur 19 n' est pas impérative on pourrait très bien concevoir tout simplement d 'utiliser des convertisseurs DC/AC 15 et AC/DC 17 qui fournissent et recoivent respectivement une tension alternative très élevée, par exemple de l'ordre de plusieurs centaines de volts à voire même un ou plusieurs kilovolts. Le rapport de transformation primaire/secondaire du transformateur élévateur de tension 18 peut par exemple être compris entre environ 1/5 et 1/100, de façon à diminuer l'intensité du courant dans l T enroulement flottant d ' un facteur compris entre 5 et 100 environ. It goes without saying that the invention is not limited to the embodiments which have just been described. This is how the floating transformer 6 could have a magnetic carcass 7 of another shape. In the case of a simple rectangular carcass, such as the carcass 1 of FIG. 1, the primary winding can then be provided in any free place thereof. It is thus also that the use of step-up transformers 18 then step-down 19 is not imperative one could very well conceive quite simply of using DC / AC converters 15 and AC / DC 17 which supply and receive respectively an alternating voltage very high, for example of the order of several hundred volts to even one or more kilovolts. The primary / secondary transformation ratio of the step-up transformer 18 may for example be between approximately 1/5 and 1/100, so as to reduce the intensity of the current in the floating winding by a factor of between 5 and About 100.
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|---|---|---|---|
| FR9213677A FR2698219B1 (en) | 1992-11-13 | 1992-11-13 | Installation of transmission, without contact, of electric power. |
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| FR9213677A FR2698219B1 (en) | 1992-11-13 | 1992-11-13 | Installation of transmission, without contact, of electric power. |
Publications (2)
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| FR2698219A1 true FR2698219A1 (en) | 1994-05-20 |
| FR2698219B1 FR2698219B1 (en) | 1995-01-13 |
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ID=9435520
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| FR9213677A Expired - Fee Related FR2698219B1 (en) | 1992-11-13 | 1992-11-13 | Installation of transmission, without contact, of electric power. |
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| FR (1) | FR2698219B1 (en) |
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| ES2394464A1 (en) * | 2010-04-23 | 2013-01-31 | Fco. Javier Porras Vila | Box with transformer generator (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
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| EP0200313A1 (en) * | 1985-04-01 | 1986-11-05 | Honeywell Inc. | Forceless non-contacting power transformer |
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- 1992-11-13 FR FR9213677A patent/FR2698219B1/en not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |