FR3026549A1

FR3026549A1 - Noyau magnetique de transformateur tournant

Info

Publication number: FR3026549A1
Application number: FR1459081A
Authority: FR
Inventors: Jean-Michel Chastagnier; Frederic Meer
Original assignee: Labinal Power Systems SAS
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-04-01
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: JP2020184647A; EP3198617B1; US10147539B2; EP3198617A1; US20180233278A1; WO2016046499A1; JP2017535069A; CN106796841A; CN106796841B; FR3026549B1

Abstract

L'invention concerne un noyau magnétique (14) de transformateur tournant, comprenant des barreaux (142) disposés le long d'un axe longitudinal (16) du noyau et au moins deux joues (144) espacées axialement l'une de l'autre et s'étendant radialement depuis les barreaux pour délimiter avec ceux-ci au moins une gorge annulaire dans laquelle une bobine torique est destinée à être logée, chaque joue étant constituée d'un paquet de tôles magnétiques circulaires qui sont disposées radialement et les barreaux étant constitués chacun d'une pluralité d'empilements de tôles magnétiques, les empilements de tôles formant les barreaux étant disposés axialement et assemblés sur les paquets de tôles circulaires en étant espacés angulairement les uns des autres autour de l'axe longitudinal du noyau.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des transformateurs tournants de type « en U » utilisés pour réaliser un transfert de puissance électrique par induction électromagnétique entre deux éléments. Un transformateur tournant de type « en U » se compose typiquement de deux éléments à géométrie circulaire qui se superposent radialennent, à savoir un noyau interne ayant une ou plusieurs gorges annulaires externes dans lesquelles sont logées des bobines toriques et un noyau externe monté autour du noyau interne en lui étant concentrique et ayant une ou plusieurs gorges annulaires internes en regard des gorges externes du noyau interne et dans lesquelles sont logées des bobines toriques. Ces deux éléments à géométrie circulaire sont montés concentriquement de telle manière que l'un des éléments puisse tourner par rapport à l'autre autour d'un axe longitudinal commun. Les solutions existantes pour la fabrication d'un tel transformateur tournant de type « en U » consistent à réaliser les noyaux interne et externe à partir d'un matériau de ferrite frittée ou, dans le cas de transformateurs de petites tailles, par usinage de fonte à forte résistivité. Dans le cas du noyau interne, les bobines toriques doivent alors être constituées en les enroulant directement dans les gorges externes de celui-ci. Quant au noyau externe, les bobines toriques sont le plus souvent logées dans les gorges internes par déformation. Une telle architecture de transformateur tournant pose cependant un certain nombre de problèmes. En particulier, dans le cas de bobines toriques présentant une forte section, il n'est pas toujours possible de les déformer pour les loger dans les gorges internes du noyau externe, de sorte qu'il est alors nécessaire de constituer le noyau externe autour de ces bobines. Par ailleurs, les matériaux utilisés (ferrite frittée ou fonte) sont fragiles et ne supportent pas toujours des environnements vibratoires sévères tels qu'on peut les rencontrer notamment dans le domaine de l'aéronautique.

Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de proposer une architecture de noyau magnétique de transformateur tournant qui n'occasionne pas de tels inconvénients.

Ce but est atteint grâce à un noyau magnétique de transformateur tournant, comprenant des barreaux disposés le long d'un axe longitudinal du noyau et au moins deux joues espacées axialement l'une de l'autre et s'étendant radialement depuis les barreaux pour délimiter avec ceux-ci au moins une gorge annulaire dans laquelle une bobine torique est destinée à être logée, et dans lequel, conformément à l'invention, chaque joue est constituée d'un paquet de tôles magnétiques circulaires qui sont disposées radialement et en ce que les barreaux sont constitués chacun d'une pluralité d'empilements de tôles magnétiques, les empilements de tôles formant les barreaux étant disposés axialement et assemblés sur les paquets de tôles circulaires en étant espacés angulairernent les uns des autres autour de l'axe longitudinal du noyau. Le noyau selon l'invention est remarquable en ce qu'il comprend un agencement de tôles magnétiques permettant un cheminement du flux magnétique, d'une part radialement dans les tôles circulaires formant les joues, et d'autre part axialement dans les tôles formant les barreaux. Une telle structure permet ainsi de faciliter l'assemblage et l'industrialisation du transformateur tournant de type « en U », notamment en limitant les outillages de fabrication et les opérations de reprise. En particulier, avec un tel noyau, les bobines toriques peuvent être réalisées et isolées préalablement à la constitution du noyau. Par ailleurs, les pertes par courant de Foucault sont ici minimisées par le feuilletage et l'isolation entre les différentes tôles. De plus, il est possible de créer des points particuliers pour permettre le passage des connexions des bobines du transformateur en pratiquant des ouvertures sur les tôles.

Selon une disposition avantageuse, les tôles circulaires formant chaque joue peuvent être segmentées. Une telle segmentation des tôles circulaires permet d'annuler les effets de l'apparition dans chaque tôle circulaire d'une force contre-électromotrice due au champ magnétique qui l'enlace. En effet, la sectorisation des tôles circulaires permet de faire disparaître les courants circulaires induits dus principalement aux lignes de champ alternatif qui enlacent les tôles.

Alternativement, toujours pour contrer les effets de l'apparition dans chaque tôle circulaire d'une force contre-électromotrice, les tôles circulaires formant chaque joue peuvent comprendre chacune des entailles radiales formant des chicanes internes permettant d'allonger le parcours des boucles de courant. Selon une autre disposition avantageuse, les tôles circulaires formant chaque joue peuvent présenter des évidements. La présence de ces évidements permet d'obtenir un gain de masse, une réduction des inductances de fuite et de libérer des passages pour d'éventuelles connexions. Les tôles des empilements formant chaque barreau peuvent être empilées selon des directions radiales. Alternativement, ces tôles peuvent être empilées selon des directions tangentielles. Les paquets de tôles circulaires formant les joues peuvent 15 comprendre des encoches axiales dans lesquelles sont assemblés les empilements de tôles formant les barreaux. Dans ce cas, le noyau peut avantageusement comprendre en outre des cales en matériau amagnétique disposées entre les flancs de chaque empilement de tôles formant les barreaux et les flancs des 20 encoches des paquets de tôles circulaires. La présence de telles cales permet de réduire l'apparition de courants de Foucault dans les joues en réduisant l'entrée d'un flux magnétique selon une direction normale au plan des tôles. Par ailleurs, le noyau peut avantageusement comprendre en 25 outre une matière isolante disposée dans un fond des encoches des paquets de tôles circulaires. La présence d'une telle matière isolante permet d'éviter que ne se créer un contact électrique entre les segments de tôles circulaires au niveau de la liaison entre les joues et les barreaux du noyau. 30 L'invention a également pour objet un transformateur tournant comprenant un noyau annulaire interne et un noyau annulaire externe montés concentriquement autour d'un axe longitudinal commun de telle manière que l'un des noyaux puisse tourner par rapport à l'autre autour dudit axe longitudinal, au moins l'un des noyaux étant un noyau tel que 35 défini précédemment.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique montrant un exemple de transformateur tournant en U à laquelle s'applique l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un noyau externe de transformateur tournant selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du noyau de la figure 2; - la figure 4 est une vue en perspective et en coupe longitudinale d'un noyau externe de transformateur tournant selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 montre la segmentation d'une joue de noyau externe selon une disposition avantageuse de l'invention ; - la figure 6 montre la réalisation de chicanes dans une joue de noyau externe selon une autre disposition avantageuse de l'invention ; - la figure 7 montre la présence de cales amagnétiques et de matière isolante entre les joues et les barreaux d'un noyau externe selon encore d'autres dispositions avantageuses de l'invention ; et - la figure 8 montre la réalisation d'évidements dans une joue de noyau externe selon encore une autre disposition avantageuse de l'invention.

Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à tout transformateur tournant (monophasé ou polyphasé) de type « en U » utilisés pour réaliser un transfert de puissance électrique par induction électromagnétique entre un élément fixe et un élément rotatif tel que le transformateur triphasé tournant 10 représenté sur la figure 1. De façon connue en soi, ce transformateur tournant 10 comprend un noyau annulaire interne 12 et un noyau annulaire externe 14 qui sont montés concentriquement autour d'un axe longitudinal 16 commun de telle manière que l'un des noyaux puisse tourner par rapport à l'autre autour dudit axe longitudinal 16.

Le noyau interne 12 comprend deux gorges annulaires externes 18 dans lesquelles sont logées des bobines toriques 20, tandis que le noyau externe 14 comprend deux gorges annulaires internes 22 en regard des gorges externes 18 du noyau interne et dans lesquelles sont 5 également logées des bobines toriques 24. Un entrefer radial 26 est ménagé entre le diamètre intérieur du noyau interne 12 et le diamètre extérieur du noyau externe 14 de manière que celle-ci puisse tourner à l'intérieur du noyau interne sans contact physique avec elle. 10 Bien entendu, l'invention s'applique également aux transformateurs monophasés tournants dans lesquels les noyaux ne comprennent qu'une seule gorge et deux joues pour y loger une seule bobine torique. De la même manière, l'invention s'applique aux autres transformateurs tournants polyphasés en faisant varier le nombre de 15 gorges et de joues. Les figures 2 et 3 représentent un noyau externe 14 d'un tel transformateur tournant selon un mode de réalisation de l'invention. Bien entendu, l'invention s'applique également à la réalisation du noyau interne. 20 Selon l'invention, le noyau externe 14 comprend des barreaux 142 (on parle également de liens magnétiques, de couronnes ou de culasses) qui sont disposés selon l'axe longitudinal 16 du transformateur tournant, ces barreaux étant constitués chacun d'une pluralité d'empilements de tôles magnétiques, par exemple de forme rectangulaire, 25 qui sont disposés axialement. Ainsi, sur l'exemple des figures 2 et 3, ces empilements de tôles formant chaque barreau sont au nombre de 12, sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal 16 et sont composés chacun de 17 tôles rectangulaires assemblées entre elles avec interposition d'une couche 30 d'isolant. Bien entendu, ces nombres pourraient être différents, de même que la forme des tôles de ces empilements n'est pas nécessairement rectangulaire. Dans ces empilements de tôles rectangulaires 142, le flux magnétique circule axialement. Toujours selon l'invention, le noyau externe 14 comprend 35 également trois joues 144 (on parle également de joues circulaires ou de flancs) qui sont espacées axialement l'une de l'autre et qui s'étendent radialement depuis les barreaux pour délimiter avec ceux-ci les deux gorges annulaires internes 22 dans laquelle les bobines toriques 24 sont destinées à être logées, chaque joue 144 étant constituée d'un paquet de tôles magnétiques de forme circulaire qui sont disposées radialennent et assemblées entre elles avec interposition d'une couche d'isolant. Dans l'exemple des figures 2 et 3, chaque joue 144 est ainsi constituée d'un paquet de 10 tôles magnétiques circulaires dans lesquelles le flux magnétique circule radialennent. De façon plus précise, les paquets de tôles circulaires formant 10 les joues 144 comprennent chacun des encoches axiales 146 dans lesquelles sont assemblés les empilements de tôles formant les barreaux 142. Par ailleurs, dans l'exemple de réalisation des figures 2 et 3, les tôles des empilements formant les barreaux 142 du noyau sont empilées 15 selon des directions radiales (c'est-à-dire que ces tôles sont disposées selon une direction radiale). La figure 4 montre une variante de réalisation d'un noyau externe 14' dans lequel les tôles des empilements formant les barreaux 142' du noyau ont une orientation différente, à savoir qu'elles sont 20 empilées selon des directions tangentielles (c'est-à-dire que ces tôles sont disposées selon une direction tangentielle). Ici, les joues 144' comprennent également chacun des encoches axiales 146' dans lesquelles sont assemblés les empilements de tôles formant les barreaux 142', ces tôles étant par exemple au nombre de 5 25 par empilement. On notera que les tôles formant les barreaux et les tôles circulaires formant les joues du noyau sont typiquement des tôles magnétiques à grains non orientés qui sont recouvertes d'une couche d'isolant et pressées entre elles pour permettre leur assemblage sous 30 forme de paquets et d'empilements. En liaison avec les figures 5 à 8, on décrira maintenant différentes caractéristiques avantageuses du noyau magnétique selon l'invention. En particulier, chaque tôle circulaire des paquets de tôles 35 circulaires formant les joues 144, 144' présente l'inconvénient d'être le siège d'une force contre-électromotrice due au champ magnétique qui l'enlace. Pour annuler les boucles de courant circulaires induites (boucles de courant ayant pour centre approximatif l'axe longitudinal 16), il est possible, comme représenté sur la figure 5, de segmenter les tôles circulaires des paquets de tôles circulaires formant les joues 144, 144'. Ainsi, comme représenté sur ces figures, chaque paquet de tôles circulaires est segmenté, par exemple en 4 segments 144a, 144'a, qui sont maintenus entre eux au moyen d'un collage ou d'un maintien mécanique par l'intermédiaire d'éléments de fixation tels que des vis, des rivets ou autres, ces éléments de fixation ayant un système d'isolation par rapport aux tôles de manière à éviter un « re-bouclage » des courants circulaires induits. Le nombre de segments pourra varier de 2 à 30 environ.

Une telle segmentation des tôles circulaires permet de faire disparaître les boucles de courant circulaires induites. Seuls persistent alors les courants de Foucault qui sont, quant à eux, fortement réduits grâce à la faible épaisseur des tôles. Une autre solution pour réduire les boucles de courant circulaires induites dans les tôles circulaires formant les joues du noyau magnétique est représentée sur la figure 6. Elle consiste à créer des chicanes en réalisant des entailles (ou fentes) radiales 148 dans ces tôles circulaires. Comme représenté sur cette figure 6, le parcours des boucles de courant (schématisés par la ligne 150) s'en trouve ainsi allongé.

Encore une autre solution (non représentée sur les figures) pour réduire les boucles de courant circulaires induites dans les tôles circulaires est d'enrouler les tôles circulaires sous forme de spirale de sorte à éviter la création d'anneaux. Par ailleurs, afin de réduire l'apparition de courants de Foucault dans les tôles circulaires formant les joues 144, 144', il est préférable de réduire au maximum l'entrée du vecteur d'induction magnétique suivant une direction normale au plan des tôles magnétiques. A cet effet, comme représenté sur la figure 7, il est avantageusement prévu de disposer des cales en matériau amagnétique 152 entre les flancs de chaque empilement de tôles formant les barreaux et les flancs des encoches 146 des paquets de tôles circulaires 144 dans lesquelles sont assemblées les tôles formant les barreaux. Typiquement, on pourra réaliser ces cales 152 en matériau composite à matrice polymère ou en matériau métallique non ferromagnétique (par exemple en alliage d'aluminium).

Alternativement, il pourrait être prévu de laisser un espace vide entre les flancs des empilements de tôles formant les barreaux et les flancs des encoches des paquets de tôles circulaires, cet espace vide pouvant être comblé par de la résine. De plus, lorsque les tôles circulaires des paquets de tôles 10 circulaires formant les joues 144, 144' du noyau magnétique sont segmentées (cas de la figure 5), il existe un risque que le contact franc entre les empilements de tôles formant les barreaux et les joues ne créé un contact électrique entre les différents segments des tôles circulaires, annulant ainsi l'effet de la segmentation.

15 Afin d'éviter un tel phénomène, il est avantageusement prévu de disposer une matière isolante 154 dans le fond des encoches 146 des paquets de tôles circulaires 144 (figure 7). Par exemple, cette matière isolante 154 se présentera sous la forme d'une feuille de très faible épaisseur (typiquement de l'ordre de quelques centièmes de millimètre) 20 réalisée en fibre de verre ou dans un film polymère de type polyimide ou polyetheretherkétone (PEEK). Alternativement, la matière isolante pourra être un vernis ou une colle adaptée ou réalisée en créant un espace non conducteur en plaçant des butées empêchant le contact franc entre les empilements de 25 tôles formant les barreaux et les joues. Selon encore une autre disposition avantageuse de l'invention représentée sur la figure 8, les tôles circulaires formant chaque joue 144, 144' du noyau présentent des évidements 156 en leur sein. De tels évidements 156 permettent d'obtenir un gain de masse, 30 une réduction des inductances de fuite et libèrent un passage pour d'éventuelles connexions électriques.

Claims

REVENDICATIONS1. Noyau magnétique (12, 14; 14') de transformateur tournant (10), comprenant des barreaux (142; 142') disposés le long d'un axe longitudinal (16) du noyau et au moins deux joues (144; 144') espacées axialement l'une de l'autre et s'étendant radialernent depuis les barreaux pour délimiter avec ceux-ci au moins une gorge annulaire (22) dans laquelle une bobine torique (24) est destinée à être logée, caractérisé en ce que chaque joue est constituée d'un paquet de tôles magnétiques circulaires qui sont disposées radialement et en ce que les barreaux sont constitués chacun d'une pluralité d'empilements de tôles magnétiques, les empilements de tôles formant les barreaux étant disposés axialement et assemblés sur les paquets de tôles circulaires en étant espacés angulairement les uns des autres autour de l'axe longitudinal du noyau.
2. Noyau selon la revendication 1, les tôles circulaires formant chaque joue sont segmentées.
3. Noyau selon la revendication 1, dans lequel les tôles 20 circulaires formant chaque joue comprennent chacune des entailles radiales (148) formant des chicanes internes permettant d'allonger le parcours des boucles de courant.
4. Noyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans 25 lequel les tôles circulaires formant chaque joue présentent des évidements (156).
5. Noyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les tôles des empilements (142) formant chaque barreau (142) sont 30 empilées selon des directions radiales.
6. Noyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les tôles des empilements (142') formant chaque barreau (142') sont empilées selon des directions tangentielles. 35 302 6 54 9 10
7. Noyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les paquets de tôles circulaires formant les joues (144 ; 144') comprennent des encoches axiales (146; 146') dans lesquelles sont assemblés les empilements de tôles formant les barreaux.
8. Noyau selon la revendication 7, comprenant en outre des cales en matériau amagnétique (152) disposées entre des flancs de chaque empilement de tôles formant les barreaux et des flancs des encoches des paquets de tôles circulaires.
9. Noyau selon l'une des revendications 7 et 8, comprenant en outre une matière isolante (154) disposée dans un fond des encoches des paquets de tôles circulaires. 15
10. Transformateur tournant (10) comprenant un noyau annulaire interne (12) et un noyau annulaire externe (14 ; 14') montés concentriquement autour d'un axe longitudinal commun (16) de telle manière que l'un des noyaux puisse tourner par rapport à l'autre autour dudit axe longitudinal, caractérisé en ce qu'au moins l'un des noyaux est un noyau selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 5 10