FR3063567A1 - MAGNETIC COMPONENT AND VOLTAGE CONVERTER COMPRISING IT - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un composant magnétique (10) comprenant : - un noyau magnétique et - au moins un enroulement (150) d'un fil conducteur enroulé autour d'une portion du noyau magnétique, dans lequel le noyau magnétique comprend une première partie (101) et une deuxième partie (102) qui s'emboitent l'une avec l'autre et qui sont fixes l'une par rapport à l'autre ; la première partie (101) comprenant un bras formant un contact mâle introduit dans un socle (102a), formant un contact femelle et situé dans la deuxième partie (102), la paroi du bras étant à distance de la paroi interne du socle (102a) ; le noyau magnétique comprenant un entrefer formé par l'espace entre la paroi du bras et la paroi interne du socle (102a). L'invention concerne aussi un convertisseur de tension comprenant le composant magnétique (10).The invention relates to a magnetic component (10) comprising: - a magnetic core and - at least one winding (150) of a conductive wire wound around a portion of the magnetic core, wherein the magnetic core comprises a first part ( 101) and a second portion (102) which interlock with each other and which are fixed relative to each other; the first part (101) comprising an arm forming a male contact introduced into a base (102a) forming a female contact and situated in the second part (102), the wall of the arm being at a distance from the inner wall of the base (102a ); the magnetic core comprising an air gap formed by the space between the wall of the arm and the inner wall of the base (102a). The invention also relates to a voltage converter comprising the magnetic component (10).
Description
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COURBEVOIE © Int Cl8 : H 01 F27/24 (2017.01)COURBEVOIE © Int Cl 8 : H 01 F27 / 24 (2017.01)
DEMANDE DE BREVET D'INVENTIONPATENT INVENTION APPLICATION
A1A1
COMPOSANT MAGNETIQUE ET CONVERTISSEUR DE TENSION LE COMPRENANT.MAGNETIC COMPONENT AND VOLTAGE CONVERTER COMPRISING SAME.
FR 3 063 567 - A1 yv) L'invention concerne un composant magnétique (10) comprenant:FR 3,063,567 - A1 yv) The invention relates to a magnetic component (10) comprising:
- un noyau magnétique et- a magnetic core and
- au moins un enroulement (150) d'un fil conducteur enroulé autour d'une portion du noyau magnétique, dans lequel le noyau magnétique comprend une première partie (101) et une deuxième partie (102) qui s'emboîtent l'une avec l'autre et qui sont fixes l'une par rapport à l'autre;- at least one winding (150) of a conductive wire wound around a portion of the magnetic core, in which the magnetic core comprises a first part (101) and a second part (102) which interlock with the other and which are fixed relative to each other;
la première partie (101) comprenant un bras formant un contact mâle introduit dans un socle (102a), formant un contact femelle et situé dans la deuxième partie (102), la paroi du bras étant à distance de la paroi interne du socle (102a);the first part (101) comprising an arm forming a male contact inserted into a base (102a), forming a female contact and located in the second part (102), the wall of the arm being spaced from the internal wall of the base (102a );
le noyau magnétique comprenant un entrefer formé par l'espace entre la paroi du bras et la paroi interne du socle (102a).the magnetic core comprising an air gap formed by the space between the wall of the arm and the internal wall of the base (102a).
L'invention concerne aussi un convertisseur de tension comprenant le composant magnétique (10).The invention also relates to a voltage converter comprising the magnetic component (10).
102 i102 i
COMPOSANT MAGNETIQUE ET CONVERTISSEUR DE TENSION LE COMPRENANTMAGNETIC COMPONENT AND VOLTAGE CONVERTER COMPRISING SAME
La présente invention concerne un composant magnétique, tel que par exemple une inductance ou un transformateur opérant à hautes fréquences. L’invention concerne aussi un convertisseur de tension comprenant le composant magnétique. En particulier, le convertisseur de tension est configuré pour être embarqué dans un véhicule automobile.The present invention relates to a magnetic component, such as for example an inductor or a transformer operating at high frequencies. The invention also relates to a voltage converter comprising the magnetic component. In particular, the voltage converter is configured to be installed in a motor vehicle.
La figure 1 illustre un exemple de composant magnétique 1 connu. Typiquement, dans le composant magnétique 1, on utilise un entrefer e pour stocker de l’énergie magnétique. Un tel entrefer e est généralement obtenu en aménageant un espace entre deux barreaux 2a, 2b du noyau magnétique 2. Dans l’entrefer e, le champ magnétique n’est pas uniformément rectiligne d’un barreau à l’autre, mais il est déformé sur les bords. Généralement, une bobine 3 est enroulée le long des deux barreaux 2a, 2b. Le courant circulant dans la bobine 3 est alors perturbé par la déformation du champ magnétique de l’entrefer e : le champ magnétique issu de l’entrefer attire le courant circulant dans la bobine 3 vers l’entrefer, ce qui augmente la densité du courant au niveau de la périphérie de la bobine proche de l’entrefer, c’est-à-dire au niveau des portions de conducteur proches de l’entrefer, et augmente les pertes dans la bobine 3.FIG. 1 illustrates an example of a known magnetic component 1. Typically, in the magnetic component 1, an air gap e is used to store magnetic energy. Such an air gap e is generally obtained by arranging a space between two bars 2a, 2b of the magnetic core 2. In the air gap e, the magnetic field is not uniformly rectilinear from one bar to the other, but it is deformed the edges. Generally, a coil 3 is wound along the two bars 2a, 2b. The current flowing in the coil 3 is then disturbed by the deformation of the magnetic field of the air gap e: the magnetic field coming from the air gap attracts the current flowing in the coil 3 towards the air gap, which increases the density of the current at the periphery of the coil close to the air gap, that is to say at the level of the conductor portions close to the air gap, and increases the losses in the coil 3.
H est donc recherché un moyen pour limiter les effets de l’entrefer sur le courant circulant dans la bobine du composant magnétique.A means is therefore sought to limit the effects of the air gap on the current flowing in the coil of the magnetic component.
À cet effet l’invention concerne un composant magnétique comprenant :To this end, the invention relates to a magnetic component comprising:
- un noyau magnétique et- a magnetic core and
- au moins un enroulement d’un fil conducteur enroulé autour d’une portion du noyau magnétique, dans lequel le noyau magnétique comprend une première partie et une deuxième partie qui s’emboîtent Tune avec l’autre et qui sont fixes l’une par rapport à l’autre ;at least one winding of a conductive wire wound around a portion of the magnetic core, in which the magnetic core comprises a first part and a second part which interlock with each other and which are fixed one by relation to the other;
la première partie comprenant un bras formant un contact mâle introduit dans un socle, formant un contact femelle et situé dans la deuxième partie, la paroi du bras étant à distance de la paroi interne du socle ;the first part comprising an arm forming a male contact inserted into a base, forming a female contact and located in the second part, the wall of the arm being at a distance from the internal wall of the base;
le noyau magnétique comprenant un entrefer formé par l’espace entre la paroi du bras et la paroi interne du socle.the magnetic core comprising an air gap formed by the space between the wall of the arm and the internal wall of the base.
Dans le composant selon l’invention, l’entrefer est donc situé radialement entre le bras et socle. L’agencement du composant magnétique selon l’invention permet de limiter les fuites dues à l'entrefer. Ainsi, l’enroulement n’est pas perturbé par le champ magnétique circulant dans l’entrefer, ce qui permet de limiter les pertes dans les portions de conducteur proches de l'entrefer.In the component according to the invention, the air gap is therefore located radially between the arm and base. The arrangement of the magnetic component according to the invention makes it possible to limit leaks due to the air gap. Thus, the winding is not disturbed by the magnetic field flowing in the air gap, which limits losses in the conductor portions close to the air gap.
Selon un mode de réalisation, un matériau isolant électrique et amagnétique est rapporté dans l’entrefer. L’apport dudit matériau permet de garantir l’épaisseur de l’entrefer, surtout dans une application automobile où le noyau magnétique peut être soumis à des vibrations.According to one embodiment, an electrical and non-magnetic insulating material is added to the air gap. The addition of said material ensures the thickness of the air gap, especially in an automotive application where the magnetic core can be subjected to vibrations.
Selon un mode de réalisation, l’entrefer peut être laissé libre de matière. Par exemple, l’espace de l’entrefer peut être rempli par de l’air. Cela peut être en particulier le cas pour des applications non automobiles où le composant magnétique n’est pas sujet à vibrations.According to one embodiment, the air gap can be left free of material. For example, the air gap can be filled with air. This may in particular be the case for non-automotive applications where the magnetic component is not subject to vibration.
Cela peut aussi être le cas, si l’on peut garantir que l’espace de l’entrefer ne variera pas à cause de vibrations, par exemple en maintenant fixes les deux parties.This can also be the case, if it can be guaranteed that the air gap space will not change due to vibrations, for example by keeping the two parts fixed.
Selon un mode de réalisation, une des parties du noyau a une section en forme de « E », le contact male-femelle étant formé par l’imbrication du bras central de la dite section en forme de «E» avec la partie correspondante de l’autre partie du noyau. En particulier, l’autre partie a une section en forme de « T », le pied de la section en forme de « T » venant s’imbriquer avec le bras central de la section en forme de « E » de la première partie.According to one embodiment, one of the parts of the core has a section in the shape of an "E", the male-female contact being formed by the nesting of the central arm of the said section in the shape of an "E" with the corresponding part of the other part of the nucleus. In particular, the other part has a "T" shaped section, the foot of the "T" shaped section coming to be nested with the central arm of the "E" shaped section of the first part.
Selon un mode de réalisation, le composant magnétique comprend un premier et un deuxième enroulements, le premier enroulement formant un circuit primaire enroulé autour dudit socle et le deuxième enroulement formant un circuit secondaire enroulé autour d’au moins un bras latéral de ladite section en forme de « E » ou autour dudit socle.According to one embodiment, the magnetic component comprises first and second windings, the first winding forming a primary circuit wound around said base and the second winding forming a secondary circuit wound around at least one lateral arm of said shaped section of "E" or around said base.
Selon un mode de réalisation, le bras formant contact mâle est en forme de cylindre, et le socle forme un volume cylindrique recevant ledit bras.According to one embodiment, the arm forming a male contact is in the form of a cylinder, and the base forms a cylindrical volume receiving said arm.
Selon un mode de réalisation, le bras formant contact mâle est en forme de parallépipède, et le socle forme un volume parallépipédique recevant ledit bras.According to one embodiment, the male contacting arm is in the form of a parallelepiped, and the base forms a parallelepipedal volume receiving said arm.
L’invention concerne en outre, un convertisseur de tension destiné à convertir une première tension en une deuxième tension comprenant :The invention further relates to a voltage converter intended to convert a first voltage into a second voltage comprising:
- un composant magnétique selon l’invention,- a magnetic component according to the invention,
- des interrupteurs semiconducteurs configurés pour convertir la première tension en la deuxième tension par l’intermédiaire dudit composant magnétique.- semiconductor switches configured to convert the first voltage to the second voltage via said magnetic component.
L’invention sera mieux comprise en faisant référence aux dessins, dans lesquels :The invention will be better understood by referring to the drawings, in which:
- la figure 1 déjà commentée illustre un exemple de composant magnétique selon l’art antérieur ;- Figure 1 already commented illustrates an example of a magnetic component according to the prior art;
- les figures 2 à 6 illustrent des exemples de composant magnétique selon l’invention.- Figures 2 to 6 illustrate examples of the magnetic component according to the invention.
La figure 2 illustre un premier exemple de composant magnétique 10 selon un mode de réalisation.FIG. 2 illustrates a first example of a magnetic component 10 according to an embodiment.
Le composant magnétique 10 comprend un noyau magnétique 100 qui comporte une première partie 101 et une deuxième partie 102 qui s’emboîtent l’une avec l’autre et sont fixes l’une par rapport à l’autre.The magnetic component 10 comprises a magnetic core 100 which has a first part 101 and a second part 102 which interlock with one another and are fixed relative to each other.
Un bras 101a de la première partie 101 forme un contact mâle. La deuxième partie 102 comprend un socle 102a formant un contact femelle. Le bras 101a s’introduit dans le socle 102a pour former le noyau 10 comme illustré par exemple en figure 3.An arm 101a of the first part 101 forms a male contact. The second part 102 comprises a base 102a forming a female contact. The arm 101a is introduced into the base 102a to form the core 10 as illustrated for example in FIG. 3.
La figure 4 représente une vue de coupe du composant magnétique 10 illustré en figure 2 et 3. En s’emboîtant l’un dans l’autre, le bras 101a et le socle 102a forment un entrefer E. En effet, le bras 101a et le socle 102a restent à distance l’un de l’autre. Il n’y a pas de contact entre la paroi périphérique du bras 101a et la paroi interne du socle 102a. Ainsi, l’espace entre la paroi du bras 101a et la paroi interne du socle 102a forme l’entrefer E du noyau magnétique 100. L’entrefer E s’étend radialement entre le bras 101a et le socle 102a.FIG. 4 represents a sectional view of the magnetic component 10 illustrated in FIGS. 2 and 3. By fitting one into the other, the arm 101a and the base 102a form an air gap E. In fact, the arm 101a and the base 102a remain at a distance from each other. There is no contact between the peripheral wall of the arm 101a and the internal wall of the base 102a. Thus, the space between the wall of the arm 101a and the internal wall of the base 102a forms the air gap E of the magnetic core 100. The air gap E extends radially between the arm 101a and the base 102a.
Des lignes de champs magnétiques Cl, C2, C3, C4 parcourant le noyau magnétique 100 sont illustrés en figure 4. Grâce à l’agencement du bras 101a et du socle 102a, le courant circulant dans l’enroulement 150 du composant magnétique 10 n’est pas perturbé par des déformations du champ magnétique causés par l’entrefer, en particulier lorsque l’enroulement 150 est formé sur et autour du socle 102a.Lines of magnetic fields C1, C2, C3, C4 traversing the magnetic core 100 are illustrated in FIG. 4. Thanks to the arrangement of the arm 101a and the base 102a, the current flowing in the winding 150 of the magnetic component 10 n ' is not disturbed by deformations of the magnetic field caused by the air gap, in particular when the winding 150 is formed on and around the base 102a.
En outre, cet agencement du bras 101a et du socle 102a permet un entrefer E plus grand que dans l’art antérieur. Dans le composant magnétique 10, l’entrefer E est formé par deux entrefers : un premier entrefer El entre la paroi latérale du bras 101a et la paroi latérale interne du socle 102a ; et un deuxième entrefer E2 entre la paroi extrémale du bras 101a et le fond du socle 102a. Ainsi, la réluctance magnétique due à l’entrefer E est plus faible que dans l’art antérieur.In addition, this arrangement of the arm 101a and the base 102a allows a larger air gap E than in the prior art. In the magnetic component 10, the air gap E is formed by two air gaps: a first air gap El between the side wall of the arm 101a and the internal side wall of the base 102a; and a second air gap E2 between the end wall of the arm 101a and the bottom of the base 102a. Thus, the magnetic reluctance due to the air gap E is lower than in the prior art.
Le composant magnétique 10 peut comprendre un matériau isolant électrique et amagnétique rapporté dans l’entrefer E, pour une isolation entre le bras 101a et le socle 102b à la place de l’air. En particulier, le matériau peut aider au centrage du bras 101a lors de son introduction dans le socle 102a. Le matériau peut aussi garantir que la partie mâle 101a et la partie femelle 102a ne bougeront pas l’une par rapport à l’autre, notamment en s’assurant que le bras 101a se monte en force dans le socle 102a. Cependant, ce matériau n’est pas nécessaire, si l’on peut garantir que les deux parties 101a, 102a ne bougeront pas l’une par rapport à l’autre une fois montés ensemble.The magnetic component 10 can comprise an electrical and non-magnetic insulating material added in the air gap E, for insulation between the arm 101a and the base 102b in place of the air. In particular, the material can help center the arm 101a when it is introduced into the base 102a. The material can also guarantee that the male part 101a and the female part 102a will not move relative to each other, in particular by ensuring that the arm 101a is mounted in force in the base 102a. However, this material is not necessary, if it can be guaranteed that the two parts 101a, 102a will not move relative to each other when assembled together.
Le composant magnétique 100 peut comprendre un troisième entrefer E3 entre la paroi 101b de la première partie 101 depuis laquelle s’étend le bras 101a, et l’extrémité du socle 102a. Ce troisième entrefer E3 permet de ne pas court-circuiter l’entrefer E entre le bras 101a et le socle 102a. Le champ magnétique dans ce troisième entrefer E3 peut perturber la circulation du courant dans l’enroulement 150, cependant dans une moindre mesure que dans l’art antérieur.The magnetic component 100 may include a third air gap E3 between the wall 101b of the first part 101 from which the arm 101a extends, and the end of the base 102a. This third air gap E3 makes it possible not to short-circuit the air gap E between the arm 101a and the base 102a. The magnetic field in this third air gap E3 can disturb the flow of current in the winding 150, however to a lesser extent than in the prior art.
Notamment, la deuxième partie 102 du noyau 10 a une section en forme de « E » et la deuxième partie (101) a une section en forme de « T ». Le contact mâle-femelle est formé par l’imbrication du bras central 102a de la section en forme de « E » avec le bras 101a de la première partie 101. Dans cet exemple, le socle 102a forme donc le bras central de la section en forme de « E ». Cependant, les bras latéraux 102c, 102d de la forme en « E » pourraient être dans la première partie 101 au lieu de la deuxième partie 102. Le bras 101a destiné à venir dans le socle 102a forme alors le bras central de la section en forme de « E ».In particular, the second part 102 of the core 10 has a section in the shape of an "E" and the second part (101) has a section in the shape of a "T". The male-female contact is formed by the interlocking of the central arm 102a of the section in the form of "E" with the arm 101a of the first part 101. In this example, the base 102a therefore forms the central arm of the section in "E" shape. However, the lateral arms 102c, 102d of the “E” shape could be in the first part 101 instead of the second part 102. The arm 101a intended to come into the base 102a then forms the central arm of the shaped section of "E".
Le composant magnétique 10 illustré en figures 2 à 4 réalise notamment une inductance magnétique. Dans l’exemple illustré en figure 5, le composant magnétique 10 comprend en outre un deuxième enroulement 152. En particulier, cet exemple de composant magnétique 10 forme un transformateur. Le premier enroulement 150 forme un circuit primaire enroulé autour du socle 102b et le deuxième enroulement 152 forme un circuit secondaire enroulé autour d’un des bras latéraux 102c.The magnetic component 10 illustrated in FIGS. 2 to 4 produces in particular a magnetic inductance. In the example illustrated in FIG. 5, the magnetic component 10 also comprises a second winding 152. In particular, this example of magnetic component 10 forms a transformer. The first winding 150 forms a primary circuit wound around the base 102b and the second winding 152 forms a secondary circuit wound around one of the side arms 102c.
Dans les exemples illustrés en figures 2 à 5, le bras 101a est en forme de parallépipède, et le socle 102a forme un volume parallépipédique. Cependant, la forme du composant magnétique pourrait être différente. Dans l’exemple illustré en figure 6, le bras 101a est en forme de cylindre, et le socle 102a forme un volume cylindrique recevant le bras 101a.In the examples illustrated in FIGS. 2 to 5, the arm 101a is in the form of a parallelepiped, and the base 102a forms a parallelepiped volume. However, the shape of the magnetic component could be different. In the example illustrated in FIG. 6, the arm 101a is in the form of a cylinder, and the base 102a forms a cylindrical volume receiving the arm 101a.
En particulier, le composant magnétique 10 peut avoir une forme générale rectangulaire comme par exemple dans les figures 1 à 5, ou une forme générale cylindrique comme par exemple illustré en figure 6.In particular, the magnetic component 10 may have a generally rectangular shape as for example in FIGS. 1 to 5, or a generally cylindrical shape as for example illustrated in FIG. 6.
Les exemples de composant magnétiques 10 peuvent être utilisés dans un convertisseur de tension destiné à convertir une première tension en une deuxième tension. A cet effet, le convertisseur de tension comprend en outre des interrupteurs semiconducteurs configurés pour convertir la première tension en la deuxième tension par l’intermédiaire du composant magnétique 10. En particulier, le convertisseur de tension est particulièrement adapté pour un fonctionnement à haute fréquence, c’est-à-dire une fréquence de fonctionnement supérieure à 1MHz, notamment comprise entre 1MHz et 5MHz. En particulier, une telle gamme de fréquence de fonctionnement est possible avec des interrupteurs semiconducteurs réalisés en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de gallium (GaN).The examples of magnetic component 10 can be used in a voltage converter intended to convert a first voltage into a second voltage. For this purpose, the voltage converter further comprises semiconductor switches configured to convert the first voltage into the second voltage via the magnetic component 10. In particular, the voltage converter is particularly suitable for high frequency operation, that is to say an operating frequency greater than 1 MHz, in particular between 1 MHz and 5 MHz. In particular, such an operating frequency range is possible with semiconductor switches made of silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
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