FR2940724A3 - Circuit electrique et circuit magnetique apte a limiter les courants de foucault - Google Patents

Circuit electrique et circuit magnetique apte a limiter les courants de foucault Download PDF

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Abstract

Circuit électrique (2) apte à conduire un courant (I) alternatif, comprenant au moins une section effective traversée perpendiculairement par ledit courant (I) alternatif, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de stries (4) définissant des fentes (40) dans le plan de la section effective et formant des plans (41) parallèles à la direction de circulation du courant (I) alternatif.

Description

-1- CIRCUIT ELECTRIQUE ET CIRCUIT MAGNETIQUE APTE A LIMITER LES COURANTS DE FOUCAULT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
10 La présente invention concerne le domaine de la limitation des courants de Foucault circulant dans un circuit électrique ou magnétique, apparaissant lors de l'utilisation de ces circuits dans une machine électrique telle qu'un moteur ou un générateur électrique.
15 Comme illustré sur la figure 1A, un circuit magnétique 1, tel qu'une tôle magnétique ou un empilement de tôles magnétiques, soumis à champ magnétique É alternatif lequel fait apparaître des courants parasites de type courants de Foucault 3 circulant dans le circuit magnétique 1 dans un plan perpendiculaire à la direction du champ magnétique B appliqué. Ces courants de Foucault créent 20 un champ magnétique de réaction qui s'oppose à la circulation du champ magnétique É appliqué dans le circuit magnétique, réduisant ainsi la section effective du circuit magnétique à travers laquelle circulent les lignes de champs. La section effective étant réduite, le flux magnétique la traversant est diminué, et les performances de la machine électrique dans laquelle est utilisé le circuit 25 magnétique sont réduites. Ces courants de Foucault génèrent par ailleurs des pertes qui diminuent le rendement de la machine et échauffent la machine de manière significative.
Il en est de même dans les circuits électriques 2, tel que les conducteurs 30 électriques, qui forment par exemple les barres ou bobinages des machines 2940724 -2- électriques. En effet, un courant I alternatif conduit par le circuit électrique 2 fait apparaître un champ magnétique, lequel induit des courants parasites de type courants de Foucault 3, comme illustré sur la figure 1B. Ces courants de Foucault circulant dans un plan perpendiculaire à la direction de circulation du courant I 5 conduit (ou appliqué), diminuent la section effective du conducteur électrique traversée par le courant I conduit, induisent des pertes par courants de Foucault et échauffent significativement la machine. Les effets des courants de Foucault cités ci-dessus sont d'autant plus prononcés que le matériau du circuit est bon conducteur. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Une solution pour réduire l'effet négatif des courants de Foucault consiste à 15 augmenter la résistance électrique qui va s'opposer à leur création, par exemple en rallongeant le chemin parcouru par ces courants de Foucault.
Dans le cas d'élément dont la fonction principale est une fonction mécanique et non une fonction conducteur, tel qu'un arbre d'un rotor, de larges 20 rainures circonférentielles ou de larges cannelures axiales peuvent être incorporées en surface de l'arbre, pour rallonger le chemin des courants de Foucault, comme décrit dans la demande de brevet japonaise JP 2007189875. Cette solution consistant à munir l'arbre de larges rainures, réduit significativement la surface effective de l'arbre. Cependant, la réduction de la 25 surface effective d'un arbre de rotor ne constitue pas un inconvénient majeur, puisque la fonction utile de l'arbre est essentiellement mécanique et non électrique.
Dans le cas d'un circuit électrique, tel qu'une barre de conduction ou une 30 bobine, dont la fonction utile est de conduire le courant, la section effective constitue un paramètre important, notamment lorsque la machine doit être 2940724 -3 puissante et compacte. En effet, plus la section effective est grande, plus le flux de courant traversant cette surface est important, et meilleur est le rendement de la machine. La solution consistant à munir le circuit électrique de larges rainures et donc à diminuer de manière significative la section effective du circuit, n'est 5 donc pas une solution acceptable.
Il en est de même pour un circuit magnétique, tel qu'une tôle magnétique. La fonction utile d'un circuit magnétique étant essentiellement de faire circuler le champ magnétique appliqué, la section effective constitue également un 10 paramètre important. La solution consistant à munir le circuit magnétique de larges rainures et donc à diminuer de manière significative la section effective du circuit, serait contre-productive et n'est donc pas une solution acceptable.
Ainsi, la solution de l'art antérieur consistant à créer des cannelures larges et profondes, n'est pas une solution vers laquelle se tournerait l'homme du métier pour limiter les effets des courants de Foucault dans des circuits électriques ou magnétiques, tout en cherchant à ne pas empiéter sur la fonction utile de ces circuits électriques ou magnétiques.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer une solution pour limiter les courants de Foucault dans un circuit électrique et dans un circuit magnétique sans réduire de manière significative la section effective de ces circuits.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne à cet effet, un circuit électrique apte à conduire un courant alternatif, comprenant au moins une section effective traversée perpendiculairement par ledit courant alternatif, conformément à l'invention.
Conformément à l'invention, ce circuit électrique comprend en outre une 2940724 -4- pluralité de stries définissant des fentes dans le plan de la section effective et formant des plans parallèles à la direction de circulation du courant alternatif.
Ainsi, la pluralité de stries creusées dans le circuit électrique interrompent 5 la circulation normale des courants de Foucault et les forcent à emprunter un chemin plus long. Cette solution permet de rendre le circuit plus résistant aux courants de Foucault, et donc de diminuer l'intensité de ces courants de Foucault dans le circuit, sans augmenter la résistance électrique au courant principal conduit. 10 Avantageusement, chaque strie forme une fente de profondeur au plus égale l'épaisseur du circuit électrique, par exemple un conducteur.
Le ratio de la surface totale occupée par les fentes sur la section effective 15 est de préférence fonction de la découpe utilisée pour réaliser les fentes et est par exemple au plus égale à 5%.
Ainsi, les stries sont de préférence très fines afin de ne pas réduire trop fortement la section effective du circuit électrique, de garantir ainsi un bon 20 rendement, sans altérer non plus la tenue mécanique du circuit. La largeur des stries peut être notamment dépendante du procédé de découpe utilisé. Ainsi, selon un mode de réalisation, on peut réaliser les stries par une découpe par jet d'eau ou par laser, afin d'obtenir des stries de largeur au plus égale à 80 m.
25 Chaque strie creusée dans le circuit électrique peut présenter une longueur au plus égale à la longueur du circuit, mesurée selon la direction du courant principal. Selon un mode de réalisation, chaque strie peut déboucher aux deux 30 extrémités du conducteur. En pratique, la profondeur de chaque strie est inférieure à la moitié de l'épaisseur du conducteur, de façon à garantir une tenue mécanique du conducteur. Par exemple, le circuit électrique peut présenter un axe de symétrie centrale passant par le centre de la section effective et étant parallèle à la direction de circulation du courant alternatif. Dans ce cas, les fentes formant la pluralité de stries peuvent être orientées radialement autour dudit axe de symétrie.
Chaque strie peut présenter une profondeur au plus égale au rayon du conducteur. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le circuit électrique peut être un conducteur cylindrique, et chaque strie peut présenter une profondeur inférieure au rayon du conducteur, afin de garantir une tenue mécanique du conducteur. 15 Selon un autre mode de réalisation, le circuit électrique peut être de forme parallélépipédique, et les fentes formant la pluralité de stries peuvent être réparties de façon parallèle à une arête de la section effective du circuit. Chaque strie peut présenter une profondeur au plus égale à l'épaisseur du circuit 20 électrique, cette épaisseur étant la longueur de ladite arête à laquelle lesdites stries sont parallèles.
L'invention concerne également un circuit magnétique comprenant au moins une section effective apte à être traversée par un champ magnétique 25 alternatif. Conformément à l'invention, ce circuit magnétique est formé par un empilement de tôles magnétiques et tout ou partie desdites tôles comprend une pluralité de stries, chaque strie définissant une fente dans la section effective et formant un plan parallèle à la direction des lignes du champ magnétique.
30 Ainsi, la pluralité de stries creusées dans le circuit électrique ou magnétique, interrompent la circulation normale des courants de Foucault et les -5 2940724 -6- forcent à emprunter un chemin plus long, sans couper les lignes du champ appliqué.
Avantageusement, chaque strie peut présenter une profondeur au plus égale 5 à l'épaisseur de la tôle.
Le ratio de la surface totale occupée par les fentes sur la section effective est de préférence fonction de la découpe utilisée pour réaliser les fentes et est par exemple au plus égale à 5%.
Les stries sont de préférence très fines afin de ne pas réduire de façon significative la section effective du circuit électrique, et de garantir ainsi un bon rendement. Les stries peuvent être réalisées par attaque chimique, afin d'obtenir des stries de largeur au plus égale à la moitié de l'épaisseur de la tôle.
Chaque strie du circuit électrique ou du circuit magnétique peut être remplie d'un isolant, comme par exemple vernis, résine isolante, ou tous autres types d'isolant.
20 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 25 - la figure 1 est une vue en perspective d'une tôle magnétique de l'art antérieure ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un conducteur électrique cylindrique de l'art antérieur ; 10 2940724 -7- - la figure 3 est une vue de la section effective d'un conducteur électrique cylindrique non strié de l'art antérieur, ainsi que la circulation des courants de Foucault dans cette section effective ; - la figure 4 est une vue la surface effective d'un conducteur électrique 5 cylindrique munie de stries, ainsi que la circulation des courants de Foucault, selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 5 à 9 présentent des vues en perspective d'un conducteur cylindrique muni de stries, selon différents modes de réalisation de l'invention ; 10 - la figure 10 présente une vue en perspective d'un conducteur électrique de section rectangulaire muni de stries creusées sur toute l'épaisseur de la section du conducteur, selon un mode de réalisation de l'invention, ainsi qu'un coupe transversale et une coupe longitudinale de ce conducteur électrique ; 15 la figure 11 présente une vue en perspective d'un conducteur électrique de section rectangulaire muni de stries creusées en surface du conducteur, selon un mode de réalisation de l'invention, ainsi qu'un coupe transversale et une coupe longitudinale de ce conducteur électrique ; - la figure 12 est une coupe transversale d'une cage d'écureuil comprenant des barres munies de stries, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 13 est une représentation schématique d'une partie d'une tôle d'un stator munie de stries, selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 14 est une coupe transversale d'un aimant en V muni de stries, selon un mode de réalisation de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
Le circuit électrique 2 présenté sur les figures 4 à 11, est notamment défini par sa section S effective à travers lequel peut circuler un courant I alternatif, sa longueur L et son épaisseur E. Le circuit électrique 2 comprend notamment une 2940724 -8 pluralité de stries 4 définissant des fentes 40 dans le plan de la section S effective et formant des plans parallèles 41 à la direction D de circulation du courant I alternatif. La pluralité de stries 4 creusée dans le circuit 2 permet de rendre le circuit plus résistant aux courants de Foucault 3 en les forçant à emprunter un 5 chemin plus long, et de réduire ainsi leurs intensités.
Le circuit électrique 2 peut présenter un axe de symétrie A centrale passant par le centre de la section effective et parallèle à la direction de circulation du courant I alternatif. Sur la figure 4, est représentée la section effective d'un 10 conducteur cylindrique dans lequel les fentes 40 de la pluralité de stries 4 sont orientées radialement autour dudit axe de symétrie A.
La figure 5 présente le même conducteur cylindrique, mais seule une strie 4 a été représentée pour en simplifier la compréhension. Les stries 4 sont définies 15 par leur largeur x, leur longueur z, et leur profondeur y. Par exemple, en utilisant un procédé de découpe par jet d'eau ou par laser, il est possible d'obtenir des stries 4 de largeur x au plus égale à 80 m. Chaque strie 4 peut avoir une profondeur y au plus égale à l'épaisseur E du conducteur, cette épaisseur étant dans ce cas le diamètre du conducteur. Cependant, afin d'assurer une tenue 20 mécanique du conducteur, la profondeur y de la strie 4 sera de préférence inférieure au rayon du cylindre.
Les stries 4 peuvent être réalisées en surface du conducteur, c'est-à-dire que les fentes débouchent sur la périphérie 6 du conducteur, comme illustré sur les 25 figures 6 et 8. En effet, les courants de Foucault dus à de hautes fréquences, circulent principalement près de la surface du conducteur. Il n'est donc pas toujours nécessaire de creuser jusqu'au coeur du conducteur pour optimiser la section effective. 30 Les stries 4 peuvent également être réalisées à l'intérieur de la section 2940724 -9- effective du conducteur, c'est-à-dire que les stries ne sont pas visibles en périphérie 6 du conducteur, comme illustré sur les figures 7 et 9.
Par ailleurs, les plans des stries peuvent être réalisés sur toute la longueur L 5 du conducteur, comme illustré sur les figures 6 et 7, ou être inférieure à la longueur L du conducteur, comme illustré sur les figures 8 et 9.
De même, pour un conducteur de section rectangulaire, les fentes 40 des stries 4 sont réparties parallèlement à une arête 7 de la section effective du 10 circuit.
Comme pour le conducteur cylindrique ci-dessus, les stries 4 peuvent également être réalisées à l'intérieur de la section effective du conducteur, c'est-à-dire que les stries ne sont pas visibles en périphérie du conducteur, et la 15 profondeur y des stries 4 peut être supérieure à la moitié de l'épaisseur E du conducteur. Les stries peuvent également être réalisées en surface du conducteur, et la profondeur y des stries 4 peut être inférieure à la moitié de l'épaisseur E du conducteur, comme illustré sur la figure 11.
20 L'invention s'applique également à d'autres formes de conducteurs électriques, tel que les barres en matériau conducteur d'une cage d'écureuil, comme illustré sur la figure 12. Chaque barre 8 constituant la cage d'écureuil présente une section effective en forme de trapèze aux bords arrondis. La partie centrale de la section effective, représentant environ un tiers de la section 25 effective, n'est pas striée, afin de garantir une tenue mécanique acceptable.
La description ci-dessus s'applique également à un circuit magnétique. La figure 13 présente schématiquement une partie de la section effective d'un stator apte à être traversée par un champ magnétique alternatif, et formé par un 30 empilement de tôles magnétique. Chacune des tôles comprend une pluralité de -10- stries 4, et chaque strie 4 définit une fente dans la section effective selon un plan parallèle à la direction des lignes du champ magnétique. Dans le cas d'un stator, les stries sont réalisées dans une partie de la culasse 5 ou dans les dents 6 du stator. Par exemple, les stries de la culasse 5 pourront suivre le profil du fond d'une encoche du stator pour éviter de perturber la circulation des flux magnétiques.
Chaque strie présente une profondeur au plus égale à l'épaisseur de la tôle. La finesse des stries étant limitée par le procédé de découpe utilisé, par attaque chimique, il est possible d'obtenir des stries de largeur égale à la moitié de l'épaisseur de la tôle. En effet, il serait contre-productif de faire des stries plus larges dans un tel circuit magnétique.
Dans le cas d'appareils dans lesquels les lignes de champ peuvent changer de direction au cours du fonctionnement, on réalisera de préférence un grands nombre de stries courtes séparés par un peu d'acier plutôt que des stries longues. Ainsi, le champ pourra changer de direction entre deux stries.
Comme pour le circuit électrique, les stries peuvent également être creusées seulement en surface (et non dans toute l'épaisseur) du matériau constituant le circuit, puisque les courants de Foucault dus à de très hautes fréquences circulent principalement près de la surface du matériau. Cette solution permet notamment de limiter encore la réduction de la surface effective du circuit.
L'invention est bien entendu applicable à tous types et toutes formes de circuit magnétique, comme par exemple un aimant en V (figure 14).

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Circuit électrique (2) apte à conduire un courant (I) alternatif, comprenant au moins une section effective traversée perpendiculairement par ledit courant (I) alternatif, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de stries (4) définissant des fentes (40) dans le plan de la section effective et formant des plans (41) parallèles à la direction de circulation du courant (I) alternatif.
  2. 2. Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque strie (4) définit une fente (40) de profondeur y au plus égale à l'épaisseur du circuit électrique, et en ce que le ratio de la surface totale occupée par les fentes (40) sur la section effective est au plus égale à 5%.
  3. 3. Circuit électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 15 chaque strie (4) creusée dans le circuit présente une longueur (z) au plus égale à la longueur (L) du circuit.
  4. 4. Circuit électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il présente un axe de symétrie (A) centrale, et en ce que les fentes (40) de la 20 pluralité de stries (4) sont orientées radialement autour dudit axe de symétrie, l'axe de symétrie (A) passant par le centre de la section effective et étant parallèle à la direction de circulation du courant (I) alternatif.
  5. 5. Circuit électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque 25 strie (4) présente une profondeur (y) au plus égale au rayon du conducteur.
  6. 6. Circuit électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est de forme parallélépipédique, et en ce que les fentes (40) de la pluralité de stries (4) sont réparties de façon parallèle à une arête (7) de la section effective 30 du circuit.- 12 -
  7. 7. Circuit électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque strie présente une profondeur (y) au plus égale à la longueur de ladite arête à laquelle lesdites fentes sont parallèles.
  8. 8. Circuit magnétique (1) comprenant au moins une section effective apte à être traversée par un champ magnétique alternatif, et formé par un empilement de tôles magnétiques, caractérisé en ce que tout ou partie desdites tôles comprend une pluralité de stries, chaque strie (4) définissant une fente (40) dans la section effective et formant un plan parallèle à la direction des lignes du champ magnétique.
  9. 9. Circuit magnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque strie (4) présente une longueur (z) au plus égale à l'épaisseur (E) de la tôle, et en ce que le ratio de la surface totale occupée par les stries sur la section effective est au plus égale à 5%.
  10. 10. Circuit magnétique selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que chaque strie est remplie d'un isolant.
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