FR3100374A1 - Bobine comprenant un ensemble de spires conductrices asymétriques - Google Patents

Abstract

Bobine (1) apte à être traversée par un courant électrique, comprenant un circuit magnétique (2), au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4) enroulées le long du circuit magnétique (2), et des moyens d’isolation électrique entre le circuit magnétique (2) et ledit au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4), chaque spire (4) étant enroulée asymétriquement autour du circuit magnétique (2). Figure pour l’abrégé : Fig 1A

Description

Bobine comprenant un ensemble de spires conductrices asymétriques

La présente invention concerne, de manière générale, les boîtiers transformateurs redresseurs et, plus particulièrement, les bobines aptes à stabiliser les courants fluctuants en sortie d’un transformateur ou d’une inductance mutuelle.

Dans certaines installations, afin d’assurer l’alimentation d’une charge sans l’endommager, il est connu de prévoir, entre la charge et le réseau d’alimentation, un boîtier transformateur redresseur apte à conditionner le courant électrique pour alimenter la charge de manière satisfaisante.

Un tel boîtier transformateur redresseur, qui constitue par exemple un adaptateur, comprend généralement un transformateur, configuré pour modifier la valeur efficace d’une tension alternative, c’est-à-dire l’abaisser ou l’élever, un convertisseur de tension alternatif/continu, et au moins une bobine configurée pour empêcher les variations brutales de courant en sortie du convertisseur.

Deux types de bobines peuvent être utilisées dans ce circuit, par exemple une bobine comprenant un fil conducteur enroulé autour d’un cylindre métallique magnétique pour atténuer les variations d’un seul courant.

Dans le cas de l’utilisation d’un transformateur à double circuits secondaires en étoile ou en triangle, une bobine dite « interphase » est avantageusement employée pour moyenner ou lisser deux courants continus fluctuants déphasés et délivrer un courant continu constant.

Une bobine interphase comprend deux inductances ayant un noyau commun définissant un circuit magnétique.

Ces deux bobines comportent des spires conductrices généralement en cuivre, matériau présentant un faible ratio conductivité électrique sur densité, le rendant lourd.

Leur fabrication, généralement par fonderie ou par fabrication additive requiert l’emploi d’une pluralité de supports et des reprises d’usinage, ce qui augmente les coûts de fabrication des bobines.

De plus, comme les spires présentent généralement un enroulement circulaire, de section rectangulaire ou sous une forme de méplat, figé autour du circuit magnétique, cela augmente l’encombrement dans le boîtier, qui comprend par ailleurs des composants présentant un encombrement significatif.

L’agencement de la bobine au sein du boîtier est donc contraignant à réaliser et ne permet aucune optimisation tendant à libérer de l’espace pour d’autres composants.

Une des solutions proposées pour réduire la masse d’une bobine est d’utiliser un fil conducteur en aluminium ou en alliage contenant majoritairement de l’aluminium.

Mais cette solution ne réduit pas l’encombrement de la bobine ni les coûts de fabrication.

L’enjeu est donc de fabriquer une bobine garantissant les mêmes performances techniques qu’une bobine classique, tout en étant plus légère, présentant un encombrement réduit et cela sans augmenter les coûts de fabrication voire les diminuer.

Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet une bobine apte à être traversée par un courant électrique comprenant un circuit magnétique, au moins un ensemble de spires conductrices enroulées le long du circuit magnétique, et des moyens d’isolation électrique entre le circuit magnétique et ledit au moins un ensemble de spires conductrices, chaque spire étant enroulée asymétriquement autour du circuit magnétique.

Autrement dit, pour diminuer l’encombrement, on allonge axialement le circuit magnétique et on le diminue radialement pour maintenir le même volume et ainsi stocker la même énergie magnétique.

Cette modification de la section du circuit magnétique notamment par une augmentation du ratio longueur/largeur et conséquemment du bobinage, permet d’avoir des spires enroulées asymétriquement autour du circuit magnétique, diminuant ainsi la longueur périmétrique moyenne de chaque spire et, par conséquent, la résistance électrique.

On entend par « asymétriquement » que la section de chaque spire conductrice présente une géométrie irrégulière de part et d’autre de l’axe selon lequel s’étend l’enroulement dudit au moins un ensemble de spires conductrices. Chaque spire a donc un profil variable.

L’enroulement étant asymétrique, on peut augmenter ou diminuer le nombre de spires en fonction du profil de spires souhaité, mais aussi, faire varier le champ magnétique.

Il est à noter que les spires sont distancées d’un pas régulier.

Avantageusement, le circuit magnétique comprend au moins un segment s’étendant selon un axe longitudinal, ledit au moins un ensemble de spires conductrices étant disposé autour dudit au moins un segment.

La section transversale de chaque spire, perpendiculaire à l’axe longitudinal, comprend une zone interne ayant une surface inférieure à la surface d’une zone externe, les deux zones étant situées de part et d’autre dudit au moins un segment longitudinal.

Autrement dit, le circuit magnétique peut comprendre un unique segment, c’est-à-dire un barreau en matériau ferromagnétique, ou une pluralité de segments pouvant être disjoints ou continus.

Par ailleurs, cette configuration est avantageusement adaptée à une bobine communément appelée « interphase » comprenant un premier et un deuxième segment longitudinal, chacun supportant un ensemble de spires conductrices enroulées autour d’un axe.

Dans ce cas, on entend par « zone interne » une zone d’une spire, enroulée autour du premier segment longitudinal, tournée vers une autre spire enroulée autour du deuxième segment longitudinal.

La zone externe est donc située à l’opposé de l’autre spire par rapport au premier segment longitudinal.

Ainsi, les deux zones internes ainsi disposées permettent aux spires d’avoir un agencement optimal de manière à éviter tout chevauchement entre les spires de chaque axe longitudinal.

Par ailleurs, les deux zones internes ou externes ont sensiblement la même surface.

De préférence, la bobine comprend une pluralité d’ailettes aptes à refroidir la bobine et s’étendant axialement vers l’extérieur à partir dudit au moins un ensemble de spires conductrices, dans le sens d’un courant dans la bobine.

L’adjonction d’ailettes sur les spires permet d’améliorer le refroidissement par convection naturelle ou forcée de l’ensemble.

Les ailettes peuvent s’étendre sur l’ensemble de spires conductrices. Chaque ailette peut être perpendiculaire aux axes longitudinaux.

Avantageusement, les ailettes sont réalisées dans le même matériau que ledit au moins un ensemble de spires conductrices.

De préférence, ledit au moins un ensemble de spires conductrices est réalisé en aluminium ou en un alliage contenant majoritairement de l’aluminium.

L’aluminium est un matériau qui présente un bon ratio densité sur résistivité électrique, le rendant plus léger que le cuivre, ce qui permet de diminuer la masse de la bobine et par conséquent celle du boîtier dans laquelle elle est implémentée.

Bien entendu, les spires conductrices peuvent également être réalisées dans un autre matériau présentant les mêmes ou de meilleures caractéristiques techniques que l’aluminium ou qu’un alliage contenant majoritairement de l’aluminium.

Préférentiellement, la section transversale de chaque spire a une forme de polygone ayant des côtés opposés sensiblement parallèles deux à deux.

Cette forme géométrique polygonale permet aux spires conductrices d’avoir un aspect plus compact et donc de minimiser l’encombrement des spires conductrices.

Avantageusement, les moyens d’isolation électrique comprennent un caniveau de section sensiblement carrée.

La forme sensiblement carrée des moyens d’isolation permet aux spires conductrices de s’enrouler au plus près du circuit magnétique, ce qui diminue le périmètre de chaque spire conductrice et donc sa masse.

On entend ici par « sensiblement » que le périmètre peut avoir des angles saillants ou arrondis.

Il est à noter que la cavité de chaque spire entourée par le caniveau et apte à permettre l’insertion d’un segment du circuit magnétique, peut présenter une forme sensiblement carrée.

Bien entendu, il n’est pas exclu que la cavité puisse présenter d’autres formes géométriques. Par exemple, la cavité pourrait être de forme ovoïdale.

De préférence, ledit au moins un ensemble de spires conductrices est réalisé par fabrication additive.

Par « fabrication additive » on entend tout procédé de fabrication par ajout de matière, généralement assisté par ordinateur.

Lors de la fabrication des spires conductrices, la forme et les dimensions souhaitées permettent d’optimiser l’encombrement sur le plateau d’une imprimante 3D et limiter les reprises d’usinage voire les supprimer de ladite étape.

Alternativement, ledit au moins un ensemble de spires conductrices est réalisé par fonderie.

Dans ce cas, la section transversale de chaque spire peut être sensiblement polygonale. Plus particulièrement, la section transversale de chaque spire, peut présenter une forme sensiblement carrée.

Bien entendu, il n’est pas exclu que la section transversale puisse présenter d’autres formes géométriques. Par exemple, la section pourrait être de forme ovoïdale.

Selon un autre aspect, il est proposé un boîtier comprenant un transformateur, un circuit redresseur et au moins une bobine telle que définie ci-avant.

L’invention a encore pour objet un procédé de fabrication d’une bobine telle que définie ci-dessus, comprenant au moins une étape de fabrication additive.

Plus particulièrement, il s’agit de toute étape de fabrication par ajout de matière pouvant, si besoin, être assisté par ordinateur.

D’autres buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :

représente de manière schématique une première vue en perspective selon un axe longitudinal d’une bobine interphase selon un mode de réalisation de l’invention ;

illustre une deuxième vue en perspective de la bobine interphase selon un axe transversal perpendiculaire à l’axe longitudinal, suivant un mode de réalisation de l’invention ;

représente une vue axiale d’une extrémité d’une spire conductrice de ladite bobine réalisée par fabrication additive.

La figure 1A illustre un exemple de réalisation d’une bobine interphase conforme à l’invention, désignée par la référence numérique générale 1.

Dans cet exemple, la bobine 1 comporte un circuit magnétique 2 comprenant ici deux corps 20 et 21 disposés en regard. Le circuit magnétique est avantageusement réalisé en matériau ferromagnétique au travers duquel circule un flux de champ magnétique.

La bobine 1 comprend également deux ensembles 3a, 3b de spires conductrices 4 entourant le circuit magnétique 2, dans lesquelles circule un courant électrique induit sous l’effet du champ magnétique.

Les spires conductrices 4 peuvent être par exemple en aluminium ou en alliage contenant majoritairement de l’aluminium, ce qui permet de réduire la masse de la bobine 1.

Des moyens d’isolation électrique, non représentés sur la figure, sont disposés entre le circuit magnétique 2 et les deux ensembles 3a, 3b de spires conductrices.

Chaque corps 20, 21 comprend deux segments 2a et 2b s’étendant chacun parallèlement selon un axe longitudinal Y et un segment transversal 2c reliant les deux segments longitudinaux 2a et 2b et délimitant un axe transversal X perpendiculaire aux axes longitudinaux Y. Les corps sont assemblés de manière à former un corps annulaire autour duquel sont enroulées les spires conductrices.

Toutefois, on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque le corps comporte un seul segment longitudinal entouré par un unique ensemble de spires conductrices.

Il n’est pas non plus exclu d’avoir deux premiers segments disjoints 2a, 2b s’étendant selon l’axe longitudinal Y et deux deuxièmes segments disjoints 2c s’étendant chacun selon l’axe transversal X.

L’ensemble 3a de spires conductrices entoure l’un des segments longitudinaux 2a, et l’ensemble 3b de spires conductrices entoure l’autre segment longitudinal 2b.

Dans le cas où le circuit magnétique 2 comprend les deux premiers segments disjoints 2a et 2b, l’ensemble 3a de spires conductrices entoure chaque premier segment disjoint 2a, 2b.

Chaque spire conductrice 4 de chaque segment longitudinal ou de chaque premier segment disjoint 2a et 2b comprend une pluralité d’ailettes de refroidissement, telles que les ailettes 5.

Les ailettes 5 qui s’étendent ici axialement vers l’extérieur dans le sens du courant traversant la bobine, permettent d’améliorer le refroidissement de la bobine 1.

Avantageusement, les ailettes 5 sont réalisées dans le même matériau que l’ensemble 3a, 3b de spires conductrices 4, c’est-à-dire en aluminium ou en un alliage contenant majoritairement de l’aluminium.

Par ailleurs, chaque bobine 1, qu’elle soit interphase ou une bobine comprenant un unique segment longitudinal entouré par un unique ensemble de spires conductrices 4, comprend des connexions d’extrémité.

Ces connexions, non représentées sur la figure, sont destinées à raccorder ladite bobine 1 au reste du circuit.

La figure 1B illustre une deuxième vue en perspective de la bobine 1 interphase, selon une vue oblique du segment transversal 2a.

Comme on le voit, la section transversale de chaque spire 4 comprend une zone interne 6 et une zone externe 7.

On entend par « zone interne » une zone 6 d’une spire 4 enroulée autour d’un premier segment tel que 2a, cette zone étant tournée vers l’autre segment 2b du corps de la bobine. La zone interne s’étend du côté radialement interne du segment 2a jusqu’au bord interne de la spire qui s’étend dans le volume situé entre les deux segments 2a et 2b, en vis à vis de la spire enroulée sur l’autre segment 2b.

La « zone externe » est donc la zone de la spire 4 située à l’opposé de la zone interne, par rapport au segment 2a ou 2b et s’étend à l’opposé de l’autre spire. La zone externe s’étend du côté radialement externe du segment 2a ou 2b, jusqu’au bord externe de la spire.

Les deux zones internes 6 ainsi disposées permettent aux spires 4 d’avoir un agencement optimal de manière à éviter tout chevauchement entre les spires de chaque segment longitudinal 2a et 2b.

Chaque zone interne 6 a une surface inférieure à la surface d’une zone externe 7.

Chaque zone interne 6 et chaque zone externe 7 d’une spire forme un polygone, ici à huit sommets, dont les côtés opposés sont sensiblement parallèles deux à deux.

Il est à noter que les ailettes 5 peuvent s’étendre partiellement sur chaque zone externe 7.

Comme illustré également sur la figure 1B, chaque segment longitudinal 2a et 2b a une section sensiblement carrée pouvant être entourée par des moyens d’isolation électrique de forme carrée, non représentés sur cette figure.

Les moyens d’isolation peuvent comprendre par exemple un caniveau de forme sensiblement carrée, ou être réalisés sous la forme d’un revêtement sur le circuit magnétique 2, en particulier sur les deux segments 2a et 2b.

La forme sensiblement carrée des moyens d’isolation permet aux spires conductrices 4 de s’enrouler au plus près du circuit magnétique 2, ce qui diminue le périmètre de chaque spire conductrice 4 et donc sa masse.

Sur la figure 2 est représentée une vue axiale d’une extrémité d’une spire conductrice de la bobine 1 lors de sa réalisation, par fabrication additive.

Dans cet exemple, il s’agit d’un procédé de fabrication par ajout de matière assisté par ordinateur communément appelé « impression 3D ».

La spire conductrice 4 de l’ensemble 3a est représentée reposant sur un unique support S, lui-même reposant sur un plateau p d’imprimante 3D.

On peut également ajouter d’autres supports pour améliorer la tenue mécanique du corps pendant la fabrication. Toutefois, pour réaliser la forme polygonale de la spire conductrice 4 avec des côtés opposés sensiblement parallèles, un unique support suffit pour la fabrication additive.

En effet, l’orientation du corps de la spire 4 selon un angle ou de 45° par rapport au support S permet d’éviter le recourt à des supports supplémentaires de maintien lors de la fabrication.

Le corps de la spire 4 peut en outre être orienté, de l’intérieur, selon au moins un angle de 45° par rapport au support S.

Cette forme permet également de limiter la reprise en usinage, voire la supprimer.

Chaque spire conductrice 4 peut être réalisée selon le même procédé de fabrication.

Il est à noter que la bobine 1 peut également être fabriquée par fonderie en reprenant le même profil polygonal lors de la fabrication.

Par ailleurs, l’invention n’est pas limitée à ces modes de réalisation mais en embrasse toutes les variantes. Par exemple, le profil polygonal peut être réalisé par d’autres techniques de fabrication telles que l’utilisation de la fusion laser ou d’un faisceau d’électron sur un lit de poudre.

Claims (11)

1. Bobine (1) apte à être traversée par un courant électrique, comprenant un circuit magnétique (2), au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4) enroulées le long du circuit magnétique (2), et des moyens d’isolation électrique entre le circuit magnétique (2) et ledit au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4), caractérisée en ce que chaque spire (4) est enroulée asymétriquement autour du circuit magnétique (2).
2. Bobine (1) selon la revendication 1, dans laquelle le circuit magnétique (2) comprend au moins un segment (2a, 2b) s’étendant selon un axe longitudinal (Y) ledit au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4) étant disposé autour dudit au moins un segment (2a,2b), et dans laquelle la section transversale de chaque spire (4), perpendiculaire à l’axe longitudinal (Y), comprend une zone interne (6) ayant une surface inférieure à la surface d’une zone externe (7), les deux zones étant situées de part et d’autre dudit au moins un segment longitudinal (2a, 2b).
3. Bobine (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant une pluralité d’ailettes (5) aptes à refroidir la bobine (1) et s’étendant axialement vers l’extérieur à partir dudit au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4), dans le sens du courant dans la bobine (1).
4. Bobine (1) selon la revendication 3, dans laquelle les ailettes (5) sont réalisées dans le même matériau que ledit au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4).
5. Bobine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4) est réalisé en aluminium ou en un alliage contenant majoritairement de l’aluminium.
6. Bobine (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle la section transversale de chaque spire (4) a une forme de polygone ayant des côtés opposés sensiblement parallèles deux à deux.
7. Bobine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d’isolation électrique comprennent un caniveau de section sensiblement carrée.
8. Bobine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4) est réalisé par fabrication additive.
9. Bobine (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle ledit au moins un ensemble (3a, 3b) de spires conductrices (4) est réalisé par fonderie.
10. Boîtier comprenant un transformateur, un circuit redresseur et au moins une bobine (1) selon l’une des revendications 1 à 9.
11. Procédé de fabrication d’une bobine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant au moins une étape de fabrication additive.