FR3069695A1 - Bobine electromagnetique a dissipation thermique amelioree - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une bobine électromagnétique comprenant un circuit magnétique, au moins un enroulement disposé autour du circuit magnétique et un caniveau (20) recevant l'enroulement et disposé entre le circuit magnétique et l'enroulement. Afin d'améliorer la dissipation thermique de la bobine, le caniveau (20) est réalisé dans un matériau conducteur de l'électricité et le caniveau (20) comprend une ouverture (22) configurée pour éviter au caniveau (20) de former une spire fermée autour du circuit magnétique.

Description

Bobine électromagnétique à dissipation thermique améliorée
L’invention concerne une bobine électromagnétique comprenant un circuit magnétique. Par bobine on entend un conducteur électrique formé de plusieurs spires enroulées et possédant des propriétés d’inductance. Le conducteur électrique est enroulé autour d’un circuit magnétique permettant de guider le flux magnétique circulant à l’intérieur des spires. Une bobine est par exemple utilisée pour réaliser des inductances de filtrage en sortie d’un redresseur d’énergie électrique. Ces inductances permettent de réduire les ondulations résiduelles en sortie du redresseur. On peut également mettre en œuvre ce type de bobine pour réaliser un transformateur. Dans ce cas, il est nécessaire de coupler plusieurs bobines roulées autour d’un même circuit magnétique.
Pour la présente invention et par extension, on englobe les transformateurs possédant plusieurs enroulements distincts autour d’un même circuit magnétique sous l’appellation bobine.
Les bobines sont souvent enroulées autour de circuits magnétiques fermés pour guider au mieux le flux magnétique qui les traverse. On utilise couramment des circuits magnétiques réalisés en deux parties. La ou les bobines sont réalisées hors du circuit magnétique, puis placées sur celui-ci. Une fois cette opération réalisée, les deux parties du circuit magnétique sont assemblées pour fermer le circuit.
La réalisation des bobines hors du circuit magnétique est délicate. Les enroulements successifs des spires peuvent entraîner un effondrement de la bobine sur elle-même. Pour éviter cet effondrement, l’enroulement est généralement réalisé sur un caniveau. Il s’agit d’une pièce mécanique rigide autour duquel sont disposées les spires de la bobine. Le caniveau est ajouré pour permettre d’y glisser le circuit magnétique.
Les bobines possèdent une impédance, essentiellement inductive. L’impédance entraîne un dégagement de chaleur lors de l’utilisation de la bobine. Lorsque des bobines sont installées dans des équipements électriques ou électroniques, le problème de la dissipation de la chaleur générée dans les bobines se pose. La dissipation thermique peut se faire par convection et par rayonnement directement par les spires externes de la bobine. Il est également possible de mettre à profit la conduction thermique pour évacuer la chaleur générée dans la bobine vers d’autres composants et notamment vers le circuit magnétique autour duquel est enroulée la bobine. Cependant, le caniveau est généralement réalisé en matière plastique afin d’assurer un bon isolement électrique entre la bobine et le circuit magnétique. Les matières plastiques sont par ailleurs de mauvais conducteurs de la chaleur ce qui freine la conduction de la chaleur de la bobine vers le circuit magnétique. Il existe des matériaux isolants électriques et bon conducteur de la chaleur tels que des céramiques. Ces matériaux sont très onéreux ce qui rend leur utilisation industrielle difficile.
L’invention permet d’améliorer la dissipation thermique d’une bobine possédant un caniveau en facilitant la conduction thermique des enroulements de la bobine vers le circuit magnétique sans utiliser de matériau onéreux tels que des céramiques.
L’invention propose d’utiliser pour le caniveau un matériau conducteur de l’électricité tout en prévoyant des moyens pour éviter que le caniveau ne forme une spire conductrice autour du circuit magnétique.
A cet effet, l’invention a pour objet une bobine électromagnétique comprenant un circuit magnétique, au moins un enroulement disposé autour du circuit magnétique et un caniveau recevant l’enroulement et disposé entre le circuit magnétique et l’enroulement. Le caniveau est réalisé dans un matériau conducteur de l’électricité et comprend une ouverture configurée pour éviter au caniveau de former une spire fermée autour du circuit magnétique.
Le caniveau possède une forme préférée tubulaire s’étendant selon un premier axe et l’ouverture s’étend selon un second axe parallèle au premier axe.
Avantageusement, la bobine comprend une pièce mécanique réalisée en matériau isolant et fermant l’ouverture de façon à raidir le caniveau.
Le caniveau est de préférence réalisé en matériau métallique comme par exemple dans un alliage contenant majoritairement de l’aluminium.
Le caniveau est de préférence recouvert d’une pellicule d’isolant électrique.
La pellicule est par exemple formée par un traitement de surface appliqué à l’alliage d’aluminium ou par un film de polyimide.
La Bobine comprend de préférence au moins une cale disposée entre le caniveau et le circuit magnétique. La cale est montée serrée entre caniveau et le circuit magnétique.
L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :
la figure 1 représente en coupe un exemple de bobine conforme à l’invention ;
la figure 2 représente un caniveau appartenant à la bobine de la figure 1.
Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
La figure 1 représente une bobine 10 comprenant un circuit magnétique 12 et plusieurs enroulements disposés autour du circuit magnétique 12. Le terme bobine est ici utilisé quelque soit le nombre d’enroulements. La figure 1 est représentée en coupe par un plan traversant le circuit magnétiqüe et les enroulements.
Dans le domaine aéronautique, la masse et le bruit des composants embarqués sont des paramètres importants que l’on cherche à réduire. Pour ce faire, on peut utiliser des conducteurs électriques en aluminium plus légers que le cuivre pour une puissance donnée. L’aluminium a une ductilité bien plus faible que celle du cuivre et pour bobiner de tels conducteurs, on les utilise souvent en feuille que l’on enroule pour réaliser des bobines. Sur la figure 1, trois enroulements 14, 16 et 18 réalisés à partir de feuilles d’alliage d’aluminium sont représentés. Les trois enroulements sont enroulés autour du circuit magnétique 12 pour former un transformateur.
Le circuit magnétique 12 peut être formé d’un assemblage de tôles plates. Dans ce cas, les tôles sont découpées par exemple au moyen d’une presse. Chaque tôle a la forme finale du circuit magnétique. Les tôles sont ensuite empilées pour former le circuit magnétique 12. Alternativement, le circuit magnétique 12 peut être réalisé d’une pièce mécanique monobloc.
Comme évoqué plus haut, l’invention peut également être mise en œuvre quelque soit le nombre d’enroulement et notamment pour un seul enroulement présent autour du circuit magnétique 12 par exemple pour former une inductance de filtrage. Par ailleurs l’invention peut être mise en œuvre pour toute forme de conducteurs électriques formant les enroulements. Il par exemple classique de mettre en œuvre des conducteurs à section circulaire. Enfin l’invention peut aussi être mise en œuvre quelque soit le matériau des conducteurs formant les enroulements, cuivre, aluminium... et bien entendu tous leur alliages.
Sur la figure 1, seule une partie du circuit magnétique 12 est représentée. Il s’agit de la partie située à l’intérieur des enroulements 14, 16 et 18. Le circuit magnétique 12 peut avoir une forme plus complexe. Il est notamment courant de réaliser un circuit magnétique fermé afin de guider le flux magnétique sur l’ensemble de son trajet. On utilise couramment des circuits magnétiques réalisés en plusieurs parties. Les enroulements sont réalisés hors du circuit magnétique, puis placées sur celui-ci. Les enroulements sont disposés sur une des parties du circuit magnétique puis les différentes parties du circuit magnétique sont assemblées pour fermer le circuit magnétique.
Les conducteurs utilisés pour les enroulements peuvent avoir des sections très faibles. Lors de la réalisation des enroulements hors du circuit magnétique, l’enroulement de plusieurs spires superposées peut entraîner une déformation voire un effondrement des premières spires les plus intérieures. En effet, les spires sont généralement réalisées en métal recouvert d’un film isolant. Les spires sont alors disposées au contact les unes des autres. Pour maintenir un bon contact et pour éviter que des vibrations ne fassent bouger les spires entre elles, les spires sont serrées les unes contre les autres. Ce serrage génère des efforts radiaux vers l’intérieur des enroulements. Ces efforts sont d’autant plus importants que le nombre de spires est grand. Les spires intérieures doivent alors encaisser la totalité des efforts générés par les spires superposées entraînant obligatoirement une contraction des spires intérieures. Une telle déformation empêche la mise en place ultérieure de l’enroulement sur le circuit magnétique. Pour cela, l’enroulement des spires est réalisé sur un caniveau 20. Le caniveau 20 est une pièce mécanique rigide permettant de s’opposer aux efforts de contraction des spires. Le caniveau 20 possède une forme tubulaire dont l’ouverture intérieure permet d’y glisser le circuit magnétique 12 après réalisation des enroulements. La surface extérieure du caniveau 20 permet d’accueillir les spires lors de leur enroulement. Une machine à bobiner peut être utilisée pour réaliser les enroulements hors du circuit magnétique. Le caniveau 20 est placé sur un mandrin. La rotation du mandrin entraînant le caniveau 20 permet de réaliser les spires.
Dans l’art antérieur, le caniveau est réalisé en matériau isolant afin d’éviter qu’il ne forme à lui seul une spire. En effet, une spire fermée traversée par le champ magnétique est le siège d’un courant électrique. Le caniveau étant massif pour s’opposer aux efforts de compression de l’enroulement, le courant qui y circulerait serait lui aussi important.
Comme évoqué plus haut, les matériaux isolants ne sont, sauf exception, pas de bons conducteurs de la chaleur. Le but de l’invention est de permettre l’évacuation de la chaleur générée dans les enroulements par le circuit magnétique. Pour cela le caniveau 20 est réalisé dans un matériau conducteur de l’électricité et pour éviter qu’il ne forme une spire autour du circuit magnétique 12, le caniveau 20 comprend une ouverture 22.
La figure 2 représente en perspective le caniveau 20 seul. L’ouverture 22 est bien visible sur cette figure. Le caniveau 20 est de forme tubulaire. Il s’étend selon un axe 24. Lorsque le caniveau 20 est mis en place sur le circuit magnétique 12 et que la bobine 20 est en fonctionnement, le flux magnétique guidé par le circuit magnétique 12 est principalement orienté selon l’axe 24. Dans l’exemple représenté, l’ouverture 22 s’étend sur toute la longueur du caniveau définie selon l’axe 24. L’ouverture 22 s’étend selon une direction 26 parallèle à l’axe 24. Alternativement, l’ouverture 22 peut suivre une direction non parallèle à l’axe 24 tout en ouvrant le caniveau 20 sur toute sa longueur selon l’axe 24.
La présence de l’ouverture 22 permet de libérer le choix de matériaux pour la réalisation du caniveau 20. Afin d’améliorer sa conductivité thermique, le caniveau 20 peut être réalisé en matériau métallique. Cette famille de matériau possède généralement une meilleure conductivité thermique que celle des matériaux isolants. La conductivité électrique des matériaux métalliques n’est pas non plus un obstacle à leur utilisation pour réaliser le caniveau 20 du fait de la présence de l’ouverture 22 qui empêche la formation d’une spire fermée autour du circuit magnétique. De façon plus générale, le caniveau 20 peut être réalisé dans un matériau conducteur de l’électricité. On peut considérer un matériau comme conducteur électrique si sa résistivité est inférieure à 10'5Q.m. Les matériaux métalliques ont généralement une résistivité inférieure à 10'8 Ω.πί. Le carbone est également considéré comme un matériau conducteur et peut être mis en œuvre pour réaliser le caniveau 20. Sa résistivité est de 40.10’6 Ω.ιτι et sa conductivité thermique est de 129 W.m’1.K’1.
Parmi les matériaux métalliques, le caniveau 20 est avantageusement réalisé en alliage contenant majoritairement de l’aluminium. Ce type d’alliage permet de réduire la masse du caniveau 20 tout en conservant de bonnes propriétés de conductivité thermique. Par exemple l’aluminium pur a une conductivité thermique de 237 W.m’1.K’1. Ses alliages ont une conductivité thermique voisine de cette valeur.
L’ouverture 22 peut être laissé vide. Alternativement, la bobine peut comprendre une pièce mécanique 28 réalisée en matériau isolant et fermant l’ouverture 24 de façon à raidir le caniveau 20. On peut considérer un matériau comme isolant si sa résistivité est supérieure à 105Ω.ιίί. La pièce mécanique 28 peut être formée d’un barreau occupant l’espace laissé libre par l’ouverture 24. Le barreau s’étend selon l’axe 26. Il peut refermer l’ouverture partiellement ou en totalité. La pièce mécanique 28 peut par exemple être réalisée en matériau plastique.
Le caniveau 20 peut être monobloc et utilisé en l’état sans traitement de surface particulier. Plus précisément, lorsque le caniveau 20 est réalisé en matériau métallique, notamment en alliage d’aluminium, il est en court-circuit avec la première spire. Du fait de la présence de l’ouverture 22 permettant que le caniveau 20 forme une spire ouverte, il est possible d’accepter ce court-circuit. Alternativement, pour éviter tout contact entre le caniveau 20 et la première spire, il est possible de recouvrir le caniveau 20 d’une pellicule d’isolant électrique 30. La pellicule 30 peut être une peinture isolante. Il existe des peinture isolante électrique et ayant des bonnes propriétés de conductivité thermique. Ce type de peinture est par exemple mise en œuvre dans des drains thermiques utilisés pour le refroidissement de circuits imprimés. La pellicule 30 peut également être formée par un traitement de surface appliqué à un alliage d’aluminium, comme par exemple une oxydation anodique ou sulfurique. Il est également possible de déposer sur le caniveau 20 un film isolant, comme par exemple un film de polyimide.
Lors du montage du caniveau 20 et des enroulements 14, 16 et 18 sur le circuit magnétique 12, il est possible d’améliorer le contact thermique entre le caniveau 20 et le circuit magnétique 12 en pressant le caniveau 20 sur le circuit magnétique 12. Ce pressage peut être obtenu au moyen d’une cale 32 disposée entre le caniveau 20 et le circuit magnétique 12. La cale 32 est avantageusement montée serrée entre le caniveau 20 et le circuit magnétique 12. Pour réaliser un montage serré, on prévoit un jeu fonctionnel négatif entre d’une part le circuit magnétique 12 et la cale 32 et d’autre part l’intérieur du caniveau 21. Le montage peut se faire au moyen d’une presse permettant d’insérer la cale 32 entre le caniveau 20 et le circuit magnétique
12. Dans l’exemple représenté, une seule cale 32 est présente dans le montage. Il est également possible de disposer plusieurs cales entre caniveau 20 et le circuit magnétique 12.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Bobine électromagnétique comprenant un circuit magnétique (12), au moins un enroulement (14, 16, 18) disposé autour du circuit magnétique (12) et un caniveau (20) recevant l’enroulement (14, 16, 18) et disposé entre le circuit magnétique (12) et l’enroulement (14, 16, 18), caractérisée en ce que le caniveau (20) est réalisé dans un matériau conducteur de l’électricité et en ce que le caniveau (20) comprend une ouverture (22) configurée pour éviter au caniveau (20) de former une spire fermée autour du circuit magnétique (12).
  2. 2. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le caniveau (20) est de forme tubulaire s’étendant selon un premier axe (24) et en ce que l’ouverture (22) s’étend selon un second axe (26) parallèle au premier axe (24).
  3. 3. Bobine selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend une pièce mécanique (28) réalisée en matériau isolant et fermant l’ouverture (22) de façon à raidir le caniveau (20).
  4. 4. Bobine selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le caniveau (20) est réalisé en matériau métallique.
  5. 5. Bobine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le caniveau (20) est réalisé dans un alliage contenant majoritairement de l’aluminium.
  6. 6. Bobine selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le caniveau (20) est recouvert d’une pellicule (30) d’isolant électrique.
  7. 7. Bobine selon les revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la pellicule (30) est formée par un traitement de surface appliqué à l’alliage d’aluminium.
  8. 8. Bobine selon la revendication 6, caractérisée en ce que la pellicule (30) est formée par un film de polyimide.
  9. 9. Bobine selon l’une des revendications précédentes,
    5 caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une cale (32) disposée entre le caniveau (20) et le circuit magnétique (12), en ce que la cale (32) est montée serrée entre caniveau (20) et le circuit magnétique (12).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2495740A2 (fr) * 2011-03-02 2012-09-05 Honeywell International, Inc. Ensembles de bobine électromagnétique haute température et procédés de production associés
US20160240307A1 (en) * 2015-02-12 2016-08-18 Lg Innotek Co., Ltd. Coil component, high current indcutor, high current reactor inlcuding the same

Patent Citations (2)

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