FR3024584A1

FR3024584A1 - Composant magnetique comportant un moyen de conduction de la chaleur

Info

Publication number: FR3024584A1
Application number: FR1401772A
Authority: FR
Inventors: Rene Cornec
Original assignee: Noemau
Current assignee: Noemau
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-02-05

Abstract

L'invention concerne un composant magnétique qui comporte au moins un bobinage 7 entourant au moins une jambe 17 du circuit magnétique 5 et une partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1 et qui comporte au moins une partie externe 3 du moyen de conduction de la chaleur 1 qui est reliée à un moyen de dissipation de la chaleur 12. Ce moyen de conduction de la chaleur 1 permet l'évacuation de la chaleur du composant magnétique et permet également un procédé de bobinage industriel. Ce mode de conception permet de réduire le volume et le poids des composants magnétiques qui sont utilisés dans les équipements électriques ou électroniques.

Description

La présente invention concerne des composants magnétiques qui peuvent être des transformateurs ou des inductances. Ces composants sont utilisés dans les équipements électriques ou électroniques et servent à convertir et à stocker l'énergie électrique. La réduction de volume et de poids de ces composants est une demande permanente des applications industrielles. Des gains importants ont été obtenus en augmentant la fréquence des courants les traversant ou des tensions les alimentant. Ce procédé est utilisé dans les alimentations à découpage électroniques pour lesquelles les fréquences des courants et des tensions se situent avantageusement dans une gamme de 20Khz à 1Mhz. Toutefois la réduction de volume et de poids est limitée par le fait qu'il reste nécessaire d'évacuer de ces composants les calories et la chaleur créées par les pertes électromagnétiques dans le circuit magnétique et les pertes par effet Joule dans le bobinage. Or, cette évacuation se fait le plus souvent par convection, ce qui impose que le composant ait une surface d'échange suffisante avec par exemple l'air ambiant. Pour mieux évacuer les calories et la chaleur de ces composants, on peut les insérer dans un 15 boîtier métallique rempli par exemple de résine qui peut alors être monté sur un moyen de dissipation de la chaleur destiné à évacuer les calories de l'équipement électrique ou électronique. Ce moyen de dissipation de la chaleur peut être, par exemple un dissipateur à air ou une plaque à eau. Un autre mode d'évacuation des calories consiste à monter ces composants sur ce même moyen de dissipation de la chaleur à l'aide de brides métalliques qui permettent l'évacuation des calories. Ces 20 deux procédés ont leur limitation car le refroidissement se fait de l'extérieur du circuit magnétique et du bobinage et ne permet pas l'évacuation correcte des calories générées à l'intérieur du composant. Une solution décrite dans le brevet US 2006/0082945 Al consiste à insérer des éléments mécaniques en U entre le circuit magnétique et le bobinage. Ces pièces en U peuvent se rajouter en couches multiples et sont assemblées entre elles pour former un bloc de refroidissement. Elles sont ensuite 25 liées à une embase. La faible épaisseur de ces pièces en U et les résistances thermiques additionnelles liées à leur interconnexion font perdre de l'efficacité thermique au système. La mise en place de ces pièces en U entre le circuit magnétique et la première couche de bobinage puis entre chaque couche de bobinage et ceci simultanément sur les deux bobines du circuit magnétique impose un bobinage manuel et ne permet pas un bobinage aisé du transformateur par des procédés industriels tels que des 30 tours à bobiner. De plus ces pièces en U sont montées en deux groupes tête-bêche de chaque côté du bobinage et ne traversent pas de part et d'autre le bobinage ce qui nuit à la solidité mécanique de l'ensemble. La présente invention a pour but d'améliorer l'évacuation des calories dans le composant 35 magnétique via l'introduction d'un moyen de conduction de la chaleur tout en conservant les performances et les moyens de fabrication d'un composant magnétique standard.

Ainsi elle concerne un composant magnétique qui selon l'invention comporte au moins un bobinage entourant au moins une jambe du circuit magnétique et une partie interne du moyen de conduction de la chaleur et qui comporte au moins une partie externe du moyen de conduction de la chaleur qui est reliée à un moyen de dissipation de la chaleur.

De ce fait on obtient une dissipation de la chaleur générée par le composant magnétique performante, ce qui permet de le faire fonctionner plus longtemps à son rendement maximum et/ou d'éviter un surdimensionnement du composant lié à ces problèmes thermiques et/ou de réduire son volume et son poids à performance identique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la partie interne du moyen de dissipation de la 10 chaleur est en contact avec le circuit magnétique. Ainsi l'extraction de chaleur est favorisée. Cela permet d'augmenter la densité volumique de perte par augmentation de l'induction magnétique dans ce même circuit et d'en réduire le volume et le poids tout en conservant une température de fonctionnement dans le circuit magnétique identique aux composants magnétiques traditionnels et qui est à titre indicatif généralement comprise entre 70 et 15 150°C. Selon une autre caractéristique avantageuse cette partie interne du moyen de conduction de la chaleur est en contact avec le bobinage via un isolant électrique conduisant la chaleur. Ainsi l'extraction de chaleur générée par le bobinage est améliorée, ce qui permet d'augmenter les densités volumiques de pertes dans celui-ci par augmentation des densités de courant 20 dans les fils du bobinage et donc d'en réduire le volume et le poids tout en conservant une température de fonctionnement dans le bobinage identique aux composants magnétiques traditionnels et qui est à titre indicatif généralement comprise entre 70 et 150°C. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'isolant électrique conduisant la chaleur peut être réalisé par surmoulage du circuit magnétique et du moyen de conduction de la chaleur. 25 Avantageusement, ce surmoulage évite toutes lames d'air qui pourraient se créer entre le moyen de conduction de la chaleur et l'ensemble constitué par le circuit magnétique et le bobinage et assure ainsi une transmission thermique fiable et répétitive d'un composant à l'autre. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'isolant électrique conduisant la chaleur peut être inséré en regard de la partie interne du moyen de conduction de la chaleur dans une carcasse du 30 composant magnétique. Ainsi, le bobinage est réalisé autour de la carcasse associée à l'isolant thermique conduisant la chaleur et du moyen de conduction de la chaleur par des procédés classiques qui peuvent être par exemple et de manière non limitative au moyen d'un mandrin d'un tour à bobiner passant au centre de la carcasse. Cet assemblage permet donc au moyen de conduction de la chaleur de drainer la chaleur 35 générée par le bobinage tout en conservant des procédés de fabrication classique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le composant magnétique peut être fabriqué suivant un procédé comprenant une première étape de surmoulage de l'isolant électrique conduisant la chaleur autour d'un ensemble composé du moyen de conduction de la chaleur et du circuit magnétique puis d'une seconde étape de bobinage d'au moins un fil conducteur électrique autour de la partie interne du moyen de conduction de la chaleur, de la jambe du circuit magnétique et de l'isolant électrique conduisant la chaleur. Ainsi, le bobinage peut alors être réalisé de manière économique avec les machines de bobinage classiques par exemple et de manière non limitative en fixant le composant magnétique par les parties externes du moyen de conduction de la chaleur au mandrin d'un tour à bobiner. 10 Ainsi par rapport à l'état de l'art, il est possible au minimum de doubler l'induction dans le circuit magnétique et de doubler les densités de courant dans les fils du bobinage, ce qui permet une réduction au minimum d'un facteur 2 du volume et du poids du composant magnétique sans augmentation de la température de fonctionnement du composant, tout en conservant des procédés de fabrication industriels et en améliorant la fixation mécanique du composant. 15 D'autres particularités et avantages apparaitront dans les dessins ci-après qui représentent des modes particuliers de réalisation de l'invention. La figure 1 représente en coupe et en vue de face, un composant magnétique dans lequel sont bobinés des bobinages primaires et secondaires autour d'un circuit magnétique de forme EE et d'un moyen de 20 conduction de la chaleur selon l'invention. La figure 2 représente en coupe et en vue de dessous, le composant magnétique décrit en figure 1. La figure 3 représente en coupe et en vue de face, un composant magnétique intégrant un circuit magnétique de forme U I dans lequel un moyen de conduction de la chaleur a été inséré selon l'invention et qui est fixé sur un moyen de dissipation de la chaleur. 25 La figure 4 décrit un procédé de bobinage sur un isolant électrique conduisant la chaleur surmoulé sur un moyen de conduction de la chaleur et un circuit magnétique. La figure 5 représente en coupe et en vue de face, un composant proche du composant magnétique décrit en figure 1, mais monté verticalement et fixé via un moyen de conduction de la chaleur sur un moyen de dissipation de la chaleur selon l'invention. 30 La figure 6 représente un composant magnétique dans lequel est bobiné un bobinage autour d'un circuit magnétique de forme torique et d'un moyen de conduction de la chaleur selon l'invention. En référence à la figure 1 est décrit en coupe le composant magnétique qui est constitué d'un circuit magnétique 5 composé de deux circuits en forme de E. Ce circuit magnétique 5 35 peut être de manière préférentielle et non limitative constitué d'un matériau en ferrite, en poudre de fer, en plastoferrite ou de tôles magnétiques. La jambe centrale 17 du circuit magnétique 5 est fixée sur un moyen de conduction de la chaleur 1. Celui-ci comporte une partie interne 4 et deux parties externes 3. Ce moyen de conduction de la chaleur 1 est une pièce constituée d'un seul tenant qui peut être par exemple et de manière non limitative une pièce usinée à partir d'un bloc de métal, d'une pièce issue d'une filière d'extrusion ou une pièce de fonderie. Cette partie interne 4 est de hauteur plus faible que les parties externes 3 ce qui permet par l'évidement ainsi créé, le passage des bobinages 6 et 7 du composant magnétique. Ces bobinages 6 et 7 peuvent être réalisés par exemple et de manière non limitative en fil de cuivre ou d'aluminium. Cette partie interne 4 a une section suffisante pour conduire la chaleur, pour exemple, elle peut être comprise entre 15 et 40% de la section du circuit magnétique 5. Ce moyen de conduction de la chaleur 1 est réalisé dans un matériau ayant par exemple une conductibilité thermique supérieure à 30W/(m*K) qui peut être par exemple de l'aluminium, du cuivre, de l'alumine ou du carbure de silicium. Une carcasse 8 est assemblée sur l'ensemble constitué du moyen de conduction de la chaleur 1 et du circuit magnétique 5. Avantageusement et de manière non limitative cette carcasse 8 comporte un isolant électrique conduisant la chaleur 2 d'une épaisseur et d'un matériau différent de la carcasse 8 et qui est en contact avec la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1. Cet isolant électrique conduisant la chaleur 2 peut être par exemple constitué d'un isolant souple ou d'une plaque d'alumine tels que ceux utilisés pour assembler les transistors de puissance à leurs dissipateurs. Ces types d'isolant ont pour avantage d'offrir une conductibilité thermique supérieure à 1W/(m*K), des tensions d'isolement supérieures à 10kV/mm et des épaisseurs comprises entre 0.25 et 2 mm. Judicieusement les bobinages 6 et 7 du composant magnétique entourent la jambe 17 du circuit magnétique 5 et la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1. Ces trois éléments sont avantageusement assemblés de sorte que le flux magnétique induit par les courants dans les bobinages 6 et 7 se referme alors dans le circuit magnétique 5 sans créer des courants induits dans la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1 même lorsque le moyen de conduction de la chaleur 1 est métallique. Le moyen de conduction de la chaleur 1 ne crée donc pas de court-circuit magnétique et le composant magnétique conserve les performances électriques d'un composant magnétique traditionnel. Il peut donc être utilisé dans toutes les applications électriques et électroniques connues dans l'état de l'art actuel. On peut citer de manière non limitative les inductances pour les convertisseurs abaisseur ou élévateur, les transformateurs pour les convertisseurs flyback, forward, demi-pont ou pont-complet.

En référence à la figure 2, et pour une meilleure compréhension, le composant magnétique décrit en figure 1 est vu de dessous en coupe. Le composant magnétique est constitué d'un circuit magnétique 5 composé de deux circuits en forme de E. Il est composé d'une jambe centrale 17 et de deux jambes extérieures. La partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1 est en contact avec la jambe centrale 17 du circuit magnétique 5. Les bobinages 6 et 7 sont en contact avec la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1 via un isolant électrique conduisant la chaleur 2. De manière non limitative et pour exemple, les parties externes 3 du moyen de conduction de la chaleur 1 sont situées à l'extérieur du circuit magnétique 5 et ont une largeur égale à celle du circuit magnétique 5 dans le but d'améliorer le transfert thermique et le maintien mécanique au moyen de dissipation de la chaleur associé au composant. On retrouve sur cette figure comme décrit sur la figure 1, les bobinages 6 et 7, l'isolant électrique conduisant la chaleur 2 ainsi que la carcasse 8. En référence à la figure 3 est décrit en coupe un mode particulier mais non limitatif de réalisation de l'invention. Le composant magnétique est constitué d'un circuit magnétique 5 composé en partie basse 10 d'un circuit en forme de U 14 et en partie haute d'un circuit en forme de I 15. Le composant magnétique étant une inductance, la partie U 14 et la partie I 15 sont séparées par un entrefer 16 qui peut être par exemple réalisé par des cales en époxy. La jambe centrale 17 de la partie U 14 du circuit magnétique 5 est fixée sur la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1. Dans cet exemple l'isolant électrique conduisant la chaleur 2 est réalisé par surmoulage d'une résine époxy et 15 forme une carcasse sur la jambe centrale 17 de la partie U 14 du circuit magnétique 5 et de la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1. Ce surmoulage peut être réalisé par exemple et de manière non limitative par une résine époxy ayant une conductibilité thermique supérieure à 1W/(m*K), procurant des tensions d'isolement supérieures à 10KV/mm et ayant une épaisseur comprise entre 0.25 et 2 mm Le composant magnétique comporte un bobinage 7 dont les spires 20 entourent la jambe centrale 17 de la partie U 14 du circuit magnétique 5, l'isolant électrique conduisant la chaleur 2 et la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1. Une bride 13 permet de maintenir la partie I 15 et U 14 du circuit magnétique 5 via les parties externes 3 du moyen de conduction de la chaleur 1. Enfin est décrit pour exemple un moyen de dissipation de la chaleur 12 qui est lié au moyen de conduction de la chaleur 1 via ses deux parties externes 3. Dans cet exemple, 25 le moyen de dissipation de la chaleur 12 est un dissipateur à air, mais il peut être également et de manière non limitative une plaque à eau, une paroi du boîtier contenant le composant magnétique ou tout autre moyen destiné à évacuer la chaleur. La liaison du moyen de conduction de la chaleur 1 au moyen de dissipation de la chaleur 12 peut être avantageusement et de manière non limitative une liaison par vis via des trous réalisés dans les parties externes 3 du moyen de conduction de la chaleur 30 1. En référence à la figure 4 est décrit un exemple non limitatif de procédé de bobinage du composant magnétique selon l'invention à l'aide d'un tour à bobiner classique. L'isolant électrique conduisant la chaleur 2 est surmoulé pour former une carcasse sur le moyen de conduction de la chaleur 1 et la 35 partie U 14 du circuit magnétique 5 et ils sont associés en un ensemble et montés sur un mandrin 9 d'un tour à bobiner via les parties externes 3 du moyen de conduction de la chaleur. Le fil conducteur électrique en cours de bobinage 11 arrive du dévidoir du tour à bobiner et est enroulé autour de la jambe centrale 17 de la partie U 14 du circuit magnétique 5, de l'isolant électrique conduisant la chaleur 2 et de la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1 par rotation du mandrin 9 pour former les spires 10 du bobinage. Une fois le bobinage terminé, il suffit de refermer le circuit magnétique (5) en positionnant la partie I du circuit magnétique comme décrit en FIG3. En référence à la figure 5 est décrit en coupe un mode particulier mais non limitatif de réalisation de l'invention. Dans ce cas, le composant magnétique est monté verticalement par rapport à son moyen de dissipation de la chaleur 12. Le composant magnétique est quasi identique à celui décrit en figure 1, 10 on retrouve un circuit magnétique 5, une carcasse 8 et un isolant électrique conduisant la chaleur 2. Le moyen de conduction de la chaleur 1 comporte également une partie interne 4. Les bobinages primaires 7 et secondaires 6 sont enroulés autour de la jambe centrale 17 du circuit magnétique 5, de la carcasse 8, de l'isolant électrique conduisant la chaleur 2 et de la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1. Par contre le moyen de conduction de la chaleur 1 comporte une seule 15 partie externe 3 s'étendant de part et d'autre du composant magnétique ce qui permet une liaison au moyen de dissipation de la chaleur 12 et positionne le composant magnétique en position verticale. Cette liaison peut être avantageusement et de manière non limitative une liaison par vis. En référence à la figure 6 est décrit un mode particulier de réalisation de l'invention. Dans ce cas, le 20 composant magnétique est constitué d'un circuit magnétique 5 de forme torique. Ce circuit magnétique 5 est protégé par un isolant électrique en époxy non représenté sur la figure et est monté sur un moyen de conduction de la chaleur 1. Le moyen de conduction de la chaleur 1 est en arc de cercle ce qui permet au circuit magnétique 5 de reposer sur celui-ci. Cet arc de cercle peut avantageusement avoir un angle compris entre 180 et 270°. On retrouve la partie interne 4 ainsi que 25 les deux parties externes 3 du moyen de conduction de la chaleur 1. Le bobinage 7 est enroulé autour du circuit magnétique 5, et de la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1. Le moyen de conduction de la chaleur 1 est fixé dans cet exemple à un moyen de dissipation de la chaleur 12 via ses deux parties externes 3. Cette fixation peut être avantageusement et de manière non limitative une liaison par vis via le dessous du moyen de dissipation de la chaleur 12. 30 Non représenté sur les figures 1 à 6, on peut ajouter que pour des raisons économiques le moyen de dissipation de la chaleur 12 et le moyen de conduction de la chaleur 1 peuvent être constitués d'une pièce unique. Ce moyen de dissipation de la chaleur 12 peut être aussi, 35 avantageusement commun avec celui utilisé pour refroidir les autres composants de puissance de l'équipement électrique ou électronique intégrant le composant magnétique. Ce composant magnétique peut être selon l'état de l'art, surmoulé avec de la résine et/ou inséré dans un boîtier métallique. On peut ajouter également que la fonction de l'isolant électrique conduisant la chaleur 2 peut être intégrée à la carcasse 8 par une réduction locale de l'épaisseur de la carcasse 8 dans la zone où elle est en contact avec la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1.

On peut ajouter que pour des raisons d'amélioration de la dissipation thermique et/ou du maintien mécanique du composant magnétique, le moyen de conduction de la chaleur 1 peut comporter plus de deux extrémités 3. On peut également réaliser la fonction d'isolant électrique conduisant la chaleur 2 et de la carcasse 8 par le rajout d'une fine couche d'isolant électrique sur l'ensemble constitué du moyen de conduction de la chaleur 1 et le circuit magnétique 5. Cette couche peut être réalisée par exemple et de manière non limitative par une protection via un isolant époxy d'épaisseur inférieure à 100 µm réalisée par un procédé de poudrage. Enfin les transferts thermiques entre la partie interne 4 du moyen de conduction de la chaleur 1, l'isolant électrique conduisant la chaleur 2 et le circuit magnétique 5 peuvent être avantageusement améliorés par ajout de graisse thermique entre ces différentes parties.

Ce composant magnétique selon l'invention est particulièrement destiné à réduire la température, le volume et le poids des applications électriques et électroniques dans lesquelles il est monté. On peut citer de manière non limitative les applications aéronautiques, ferroviaires ou automobiles.

Ce composant magnétique peut également s'appliquer de manière judicieuse à la réduction du volume de tout actionneur électromécanique tel que les électroaimants, les contacteurs ou les relais. 30 35

Claims

REVENDICATIONS1) Composant magnétique caractérisé en ce que au moins un bobinage (7) entoure au moins 5 une jambe (17) d'un circuit magnétique (5) et une partie interne (4) d'un moyen de conduction de la chaleur (1) et en ce que au moins une partie externe (3) du moyen de conduction de la chaleur (1) est reliée à un moyen de dissipation de la chaleur (12)
2) Composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie interne (4) du moyen de conduction de la chaleur (1) est en contact avec le circuit magnétique (5) 10
3) Composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie interne (4) du moyen de conduction de la chaleur (1) est en contact avec au moins un bobinage (7) via un isolant électrique conduisant la chaleur (2)
4) Composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un surmoulage est réalisé autour du moyen de conduction de la chaleur (1) et du circuit magnétique (5) 15
5) Composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un isolant électrique conduisant la chaleur (2) est inséré dans une carcasse (8) en regard de la partie interne (4) du moyen de conduction de la chaleur (1)
6) Composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de conduction de la chaleur (1) et le moyen de dissipation de la chaleur (12) sont constitués d'une pièce 20 unique
7) Composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de conduction de la chaleur (1) est métallique
8) Composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que une bride (13) maintenant le circuit magnétique (5) est fixée au moyen de conduction de la chaleur (1) 25
9) Composant magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant magnétique est une bobine d'un actionneur électromécanique
10) Procédé de fabrication d'un composant magnétique caractérisé en ce qu'il comporte une première étape de surmoulage d'un isolant électrique conduisant la chaleur (2) autour d'un moyen de conduction de la chaleur (1) et d'un circuit magnétique (5) puis d'une seconde étape de bobinage 30 d'au moins un fil conducteur électrique (11) autour d'une partie interne (4) d'un moyen de conduction de la chaleur (1), d'une jambe (17) d'un circuit magnétique (5) et d'un isolant électrique conduisant la chaleur (2) 35