FR2995127A1 - Noyau magnetique pour un composant magnetique a bobinage, comportant des moyens de refroidissement perfectionnes - Google Patents

Abstract

Le noyau magnétique (16) s'étend dans une direction longitudinale (X), et comporte : au moins un empilement (19) de tôles (20) en matériau magnétique empilées dans une direction d'empilement (Z) perpendiculaire à la direction longitudinale (X), au moins une plaque (24) en matériau conducteur de chaleur, présentant des première (24A) et seconde (24B) faces opposées, et au moins un tube de refroidissement (26) agencé en contact avec ladite première face (24A) de la plaque (24), dans lequel est destiné à circuler un fluide caloporteur. La plaque (24) s'étend dans un plan parallèle à la direction longitudinale (X) et à la direction d'empilement (Z), sa seconde face (24B) étant agencée en contact thermique avec les tôles (20) de l'empilement (19).

Description

Noyau magnétique pour un composant magnétique à bobinage, comportant des moyens de refroidissement perfectionnés La présente invention concerne un noyau magnétique pour un composant magnétique à bobinage, tel qu'une bobine d'induction ou un transformateur, comportant des moyens de refroidissement perfectionnés. On connaît déjà dans l'état de la technique, notamment d'après EP 1 993 111, un noyau magnétique pour bobine d'induction, s'étendant dans une direction longitudinale, et comportant au moins un empilement de tôles en matériau magnétique empilés dans une direction d'empilement perpendiculaire à la direction longitudinale. Ce noyau magnétique comprend des moyens de refroidissement, comportant au moins une plaque en matériau conducteur de chaleur, et au moins un tube de refroidissement agencé en contact avec ladite la plaque, dans lequel est destiné à circuler un fluide caloporteur. Ainsi, il existe des composants magnétiques, notamment des bobines d'induction, comprenant un bobinage entourant un tel noyau magnétique.

Habituellement, un composant magnétique à bobinage est apprécié selon trois critères, à savoir : un bon rendement (faibles pertes), un encombrement réduit, et un coût réduit. Ces trois critères ne sont généralement pas compatibles. En particulier, un composant magnétique avec un rendement optimisé est généralement plus encombrant et plus coûteux qu'un composant magnétique dimensionné pour présenter un coût réduit. Ainsi, l'optimisation de l'un des trois critères précités se fait habituellement au détriment d'au moins l'un des deux autres. On constate que la tendance actuelle dans l'état de la technique consiste à favoriser les critères de coût et d'encombrement au détriment du critère de rendement.

On notera que le rendement dans un composant magnétique est lié aux pertes d'énergie dans ce composant magnétique. Ces pertes sont composées principalement de pertes dans les bobinages (appelées « pertes joule ») et de pertes dans le noyau magnétique (appelées « pertes fer »). Les pertes joule représentent généralement plus de 80% des pertes totales du composant magnétique. Or, il est connu de l'homme du métier qu'un rendement optimal est obtenu lorsque les pertes fer dans le noyau sont sensiblement égales aux pertes joule dans le bobinage. Afin de se rapprocher d'un équilibre entre les pertes joule et les pertes fer, on a prévu dans EP 1 993 111 de refroidir un noyau magnétique au moyen d'un système de plaques froides. En particulier, un tel refroidissement permet d'augmenter la capacité du noyau à évacuer ses pertes, et permet donc d'augmenter le niveau d'induction dans le noyau. L'évacuation des calories par un tel système n'est toutefois pas toujours satisfaisante. En particulier, les présents inventeurs ont constaté que, dans EP 1 993 111, le refroidissement est réalisé parallèlement à la lamination, ce qui limite le flux thermique transitant du noyau vers les plaques froides. L'invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient en fournissant un noyau magnétique dont le refroidissement est optimisé. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un noyau magnétique pour un composant magnétique à bobinage, s'étendant dans une direction longitudinale, et comportant : - au moins un empilement de tôles en matériau magnétique empilées dans une direction d'empilement perpendiculaire à la direction longitudinale, - au moins une plaque en matériau conducteur de chaleur, présentant des première et seconde faces opposées, et - au moins un tube de refroidissement agencé en contact avec ladite première face de la plaque, dans lequel est destiné à circuler un fluide caloporteur, caractérisé en ce que la plaque s'étend dans un plan parallèle à la direction longitudinale et à la direction d'empilement, sa seconde face étant agencée en contact thermique avec les tôles de l'empilement. Chaque plaque froide est agencée perpendiculairement à la lamination des tôles du circuit magnétique. Un tel agencement permet une conduction optimale des flux thermiques de l'intérieur du noyau vers le circuit de fluide caloporteur. L'invention permet donc de réaliser un refroidissement optimisé du noyau magnétique, ce qui permet notamment d'augmenter fortement l'induction. En outre, un refroidissement optimisé permet de réduire les dimensions du noyau, tout en conservant une induction optimale. Or, une réduction des dimensions du noyau magnétique permet de réduire également les dimensions du bobinage entourant ce noyau magnétique, donc de réduire les pertes joules dans ce bobinage, ainsi que le coût de ce bobinage. Ainsi, l'invention permet d'augmenter les pertes fer (grâce à l'amélioration du refroidissement du noyau) tout en diminuant les pertes joule (grâce à la diminution des dimensions des bobinages). En d'autres termes, l'invention permet d'effectuer un équilibrage entre les pertes fer et les pertes joule, donc d'optimiser le rendement comme cela a été évoqué précédemment.

En outre, en réduisant les dimensions du noyau magnétique et du bobinage, on réduit d'une part l'encombrement du composant magnétique, et on réduit d'autre part la quantité de matériau utilisée pour leur fabrication, donc le coût du composant magnétique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe d'une bobine d'induction triphasé selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe dans le plan Il de la figure 1, de l'une des bobines et d'une portion de noyau entourée par cette bobine ; - la figure 3 est une vue similaire à la figure 2 d'une bobine selon un deuxième exemple de mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue similaire à la figure 2 d'une bobine selon un troisième exemple de mode de réalisation de l'invention.

On a représenté sur la figure 1 un ensemble 10 triphasé comportant trois bobines d'induction 12. L'ensemble du circuit électrique, y compris les connexions, sont de type classique et ne seront donc pas décrits plus en détail. Les trois bobines 12 sont identiques, si bien qu'une seule d'entre elles sera décrite ci dessous.

Chaque bobine d'induction 12 comprend un bobinage 14, formé par un élément conducteur enroulé par exemple de manière hélicoïdale autour d'un axe longitudinal X. L'élément conducteur est par exemple un fil, ou formé par un enroulement creux ou en feuillard. Chaque bobine 12 comporte également un noyau magnétique 16, s'étendant dans la direction de l'axe longitudinal X, de sorte que le bobinage 14 entoure coaxialement ce noyau magnétique 16. De manière classique, les trois noyaux magnétiques 16 sont disposés parallèlement et raccordés à une culasse formée par des éléments 18 de retour de flux du circuit magnétique.

Chaque noyau magnétique 16 est composé de façon connue d'une pluralité d'empilements 19 de tôles 20 en matériau magnétique, de préférence en fer. Dans l'exemple décrit, les empilements 19 sont classiquement séparés par des entrefers en matériau isolant et amagnétique. Ainsi, ces empilements 19 sont disposés les uns à la suite des autres le long de l'axe longitudinal X, les entrefers étant perpendiculaires à cet axe longitudinal X. En variante, le noyau magnétique 16 pourrait être dépourvu de tels entrefers.

L'un des empilements 19 est représenté en coupe sur la figure 2. Dans ce qui suit, on définit une direction d'empilement Z comme étant la direction dans laquelle sont empilées les tôles 20. Cette direction d'empilement Z est perpendiculaire à la direction longitudinale X. Ainsi, chaque empilement 19 est formé de tôles individuelles 20 s'étendant dans des plans parallèles à l'axe longitudinal X. Dans l'exemple représenté, les tôles 20 présentent des dimensions sensiblement identiques, si bien que l'empilement 19 présente sensiblement une forme de parallélépipède. En variante, les tôles pourraient être découpées selon différents motifs de manière que leur assemblage ait une section se rapprochant d'une section circulaire.

La solidarisation des tôles 20 entre elles peut être réalisée de toute façon connue. Par exemple, l'empilement 19 de tôles 20 comporte au moins un orifice traversant (non représenté) dans la direction d'empilement Z, un tirant s'étendant dans cet orifice pour assurer la solidarisation des tôles 20 les unes contre les autres. De préférence, le noyau 16 comporte deux tôles maîtresses 22, plaquées de part et d'autre des tôles 20 dans la direction d'empilement Z pour assurer leur solidarisation au moyen dudit tirant. A cet effet, chaque tirant est en appui sur les tôles maîtresses 22 à l'aide de ses têtes, par exemple formées par des écrous vissés sur les extrémités filetées de ce tirant. Afin d'évacuer les calories dans le noyau magnétique 16, celui-ci comporte des moyens de refroidissement 23, comprenant notamment au moins une plaque 24 en matériau conducteur de chaleur. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, chaque noyau magnétique comporte deux plaques 24 agencées de part et d'autre de l'empilement 19 dans une direction transversale Y perpendiculaire à la direction longitudinale X et à la direction d'empilement Z, comme cela sera décrit ci-dessous. Ainsi, contrairement à un dispositif de refroidissement de l'état de la technique, tel que celui décrit dans EP 1 993 111, les plaques 24 n'assurent pas le maintien mécanique des tôles 20 entre elles. L'épaisseur des plaques 24 peut donc être substantiellement réduite, et la matière pour ces plaques 24 peut être choisie dans une optique d'optimisation technico-économique, ce qui permet d'en améliorer la conductivité thermique et d'en réduire le coût. Il convient de noter que EP 1 993 111 incitait à donner un double rôle de refroidissement et de maintien mécanique aux plaques de refroidissement. En revanche, conformément à la présente invention, les plaques de refroidissement 24 ne remplissent plus la fonction de maintien mécanique, cette fonction étant remplie par les tôles de maintien 22, mais permettent en contrepartie un refroidissement bien meilleur que dans l'état de la technique.

Chaque plaque 24 présente des première 24A et seconde 24B faces opposées, s'étendant chacune dans un plan parallèle à la direction longitudinale X et à la direction d'empilement Z. Les moyens de refroidissement 23 comportent par ailleurs, pour chaque plaque 24, au moins un tube de refroidissement 26, dans lequel est destiné à s'acculer un fluide caloporteur, agencé en contact avec la première face 24A de cette plaque 24. Le fluide caloporteur peut être de tout type connu, par exemple de l'eau ou de l'huile. Avantageusement, les plaques de refroidissement 24 et les tubes 26 sont réalisés en matériau bon conducteur thermique et amagnétique, par exemple en aluminium, en cuivre ou en acier inoxydable. La seconde face 24B de chaque plaque 24 est agencée en contact thermique avec les tôles 20 de l'empilement 19, de sorte que cet empilement 19 est intercalé entre les plaques 24. Ainsi, chaque plaque 24 est agencée perpendiculairement aux tôles 20, en contact thermique avec une tranche de chaque tôle 20. En d'autres termes, les plaques de refroidissement 24 sont agencées perpendiculairement à la lamination de l'empilement 19. Dans la présente description, on appelle « contact thermique » un contact permettant un transfert de chaleur par conduction entre deux éléments. Un tel contact thermique peut être un contact direct, ou un contact par l'intermédiaire d'une couche thermiquement conductrice. En particulier, une pâte thermique, par exemple une graisse thermique, pourrait être avantageusement intercalée entre au moins l'une des plaques 24 et les tôles 20. Une telle pâte thermique permet d'augmenter la conductivité thermique entre la plaque 24 et les tôles 20, puisque les tranches de ces tôles 20 ne forment pas ensemble une surface parfaitement lisse. Par ailleurs, conformément à ce premier mode de réalisation représenté sur la figure 2, dans lequel deux plaques de refroidissement 24 sont en contact avec les tôles 20, il est nécessaire d'isoler électriquement les tôles magnétiques 20 d'au moins l'une de ces deux plaques de refroidissement 24 afin de ne pas créer de boucle de courant dans le circuit magnétique. Une telle isolation électrique n'est pas nécessaire lorsqu'une seule plaque de refroidissement 24 est en contact avec les tôles 20, comme c'est le cas dans les modes de réalisation des figures 3 et 4 qui seront décrits ultérieurement, car aucune boucle de courant n'est créée dans ce cas. Afin de réaliser cette isolation électrique, au moins l'une des plaques 24 comporte, sur sa seconde face 24B, un film d'isolant électrique conducteur thermiquement, de sorte que ce film d'isolant est intercalé entre la seconde face 24B et les tôles 20. On notera qu'un niveau faible d'isolation électrique est généralement suffisant, si bien que le film d'isolation électrique peut être formé par une simple couche de vernis. On notera que les plaques de refroidissement 24 peuvent être maintenues sur les tôles 20 par tout moyen de fixation connu.

Par exemple, on pourrait ménager, dans l'empilement 19, un orifice traversant dans la direction transversale Y, et un tirant s'étendant dans cet orifice pour assurer la solidarisation de chaque plaque 24 contre les tôles 20 de l'empilement 19. En variante, on peut prévoir une bande enroulée autour de l'empilement 19 et des plaques 24, afin de maintenir ces plaques 24 contre l'empilement 19.

On a représenté, sur la figure 3, une bobine 12 selon un deuxième exemple de mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure, les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références identiques. Conformément à ce deuxième mode de réalisation, les moyens de refroidissement 23 ne comportent qu'une plaque de refroidissement 24, en contact thermique avec les tôles 20 sur une surface perpendiculaire à la direction transversale Y. En effet, une unique plaque de refroidissement 24 peut être suffisante dans certaines applications envisagées. On a représenté sur la figure 4 une bobine 12 selon un troisième exemple de mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure 4, les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références identiques.

Conformément à ce troisième mode de réalisation, le noyau 16 comporte des premier 19A et second 19B empilements de tôles 20A, 20B. Les tôles 20A, 20B sont empilées dans la même direction d'empilement Z, et les empilements 19A, 19B s'étendent parallèlement l'un par rapport à l'autre, et par rapport à l'axe longitudinal X. Les premier et second empilements 19A, 19B sont écartés l'un par rapport à l'autre, de façon à former un espace 28. Les moyens de refroidissement 23 comportent deux plaques 24 en matériau conducteur de chaleur, disposées dans l'espace 28, chacune en contact thermique avec les tôles 20A, 20B d'un empilement 19A, 19B respectif. Ainsi, l'espace 28 est délimité par ces deux plaques 24.

Par ailleurs, les moyens de refroidissement 23 comportent au moins un tube de refroidissement 26 agencé entre les plaques 24, en contact avec chacune de ces plaques 24. Ainsi, le refroidissement du noyau magnétique 16 est réalisé en son coeur. Conformément à ce troisième mode de réalisation, la largeur des tôles magnétiques 20 transversalement à la plaque froide 24 est réduite (notamment divisée par deux par rapport à la largeur des tôles magnétiques dans le second mode de réalisation représenté sur la figure 3), ce qui permet un meilleur refroidissement de ces tôles, notamment à l'extrémité de ces tôles qui n'est pas en contact avec la plaque froide. Par ailleurs, ce troisième mode de réalisation ne nécessite qu'un seul circuit de refroidissement, contrairement au premier mode de réalisation de la figure 1, qui en nécessite deux. On notera que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, mais pourrait présenter diverses variantes sans sortir du cadre des revendications. En particulier, le noyau magnétique 16 pourrait équiper un transformateur, par exemple un transformateur à haute fréquence, ou tout autre type de composant magnétique à bobinage. On notera que les moyens de refroidissement 23 précédemment décrits pourraient être utilisés non seulement pour évacuer des pertes importantes dans un composant magnétique, mais également pour éviter toute émission de chaleur dans un environnement donné. Par exemple, de telles émissions de chaleur ne sont pas souhaitables dans un module sous-marin.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Noyau magnétique (16) pour un composant magnétique à bobinage (12), s'étendant dans une direction longitudinale (X), et comportant : - au moins un empilement (19) de tôles (20) en matériau magnétique empilées dans une direction d'empilement (Z) perpendiculaire à la direction longitudinale (X), - au moins une plaque (24) en matériau conducteur de chaleur, présentant des première (24A) et seconde (24B) faces opposées, et - au moins un tube de refroidissement (26) agencé en contact avec ladite première face (24A) de la plaque (24), dans lequel est destiné à circuler un fluide caloporteur, caractérisé en ce que la plaque (24) s'étend dans un plan parallèle à la direction longitudinale (X) et à la direction d'empilement (Z), sa seconde face (24B) étant agencée en contact thermique avec les tôles (20) de l'empilement (19).
2. 2. Noyau magnétique (16) selon la revendication 1, comportant deux plaques (24) en matériau conducteur de chaleur, s'étendant chacune dans un plan respectif parallèle à la direction longitudinale (X) et à la direction d'empilement (Z), et agencées de part et d'autre de l'empilement (19) dans une direction transversale (Y) perpendiculaire à la direction longitudinale (X) et à la direction d'empilement (Z).
3. 3. Noyau magnétique (16) selon la revendication 2, dans lequel au moins une plaque (24) porte, sur sa seconde face (24B), un film d'isolant électrique conducteur thermiquement, de sorte que le film d'isolant est intercalé entre la seconde face (24B) et les tôles (20).
4. 4. Noyau magnétique (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une plaque (24) porte, sur sa seconde face (24B), une couche de pâte thermique, telle qu'une graisse thermique, de sorte que cette pâte thermique est intercalée entre la seconde face (24B) et les tôles (20).
5. 5. Noyau magnétique (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : - le noyau (16) comporte des premier (19A) et second (19B) empilements de tôles (20A, 20B) parallèles, écartés l'un par rapport à l'autre de façon à former un espace (28), - le premier empilement (19A) porte, dans ledit espace (28), une première plaque (24) en matériau conducteur de chaleur en contact avec ses tôles (20A), - le second empilement (19B) porte, dans ledit espace (28), une seconde plaque (24) en matériau conducteur de chaleur en contact avec ses tôles (20B), - la première plaque est disposée en regard de la seconde plaque,- au moins un tube de refroidissement (26) est agencé entre les première et seconde plaques (24), en contact avec chacune de ces première et seconde plaques (24).
6. 6. Noyau magnétique (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant deux tôles maîtresses (22), plaquées de part et d'autre des tôles (20) dans la direction d'empilement (Z) pour assurer leur solidarisation.
7. 7. Noyau magnétique (16) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une pluralité d'empilements (19) de tôles (20) séparés par des entrefers en matériau isolant, ces empilements étant disposés les uns à la suite des autres le long de l'axe longitudinal (X), et les entrefers étant perpendiculaires à cet axe longitudinal (X).
8. 8. Noyau magnétique (16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'empilement (19) de tôle comporte au moins un orifice traversant dans une direction transversale (Y) perpendiculaire à la direction longitudinale (X) et à la direction d'empilement (Z), un tirant s'étendant dans cet orifice pour assurer la solidarisation de chaque plaque (24) contre les tôles (20) de l'empilement (19).
9. 9. Noyau magnétique (16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant au moins une bande enroulée autour de l'empilement (19) et de chaque plaque (24) pour maintenir chaque plaque (24) contre l'empilement (19).
10. 10. Composant magnétique à bobinage (12), comportant un bobinage (14) formé par un fil enroulé autour d'un axe longitudinal (X), caractérisé en ce qu'il comporte un noyau magnétique (16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, s'étendant dans la direction longitudinale (X) coaxialement au bobinage (16).