FR3113178A1 - Composant magnétique à flux de fuite contrôlé - Google Patents

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Abstract

La présente invention vise un composant magnétique comprenant deux demi-noyaux ferromagnétiques empilés et superposés pour former un cœur ferromagnétique comprenant trois jambes (11, 12, 13) dont deux premières jambes (11, 13) et une deuxième jambe (12), chaque jambe (11, 12, 13) étant formée de deux demi-jambes en vis-à-vis et séparées par un entrefer, chaque jambe (11, 12, 13) comprenant un enroulement primaire (111, 121, 131) et un enroulement secondaire (112, 122, 132) présentant un sens d’enroulement, respectivement sur chacune des demi-jambes qui la constituent, le composant magnétique étant caractérisé en ce que, sur la deuxième jambe (12), l’enroulement primaire (121) et l’enroulement secondaire (122) ainsi que leur sens d’enroulement sont inversés par rapport à ceux (111, 112, 131, 132) des premières jambes (11, 13). Figure de l’abrégé : Figure 5

Description

Composant magnétique à flux de fuite contrôlé
La présente invention concerne le domaine des composants magnétiques, notamment des transformateurs électriques.
La présente invention se rapporte plus particulièrement au domaine des transformateurs électriques, par exemple intégrés à des convertisseurs de tension résonnants ou à tout autre type de convertisseurs de puissance, ou à des chargeurs électriques. Notamment, la présente invention vise un composant magnétique tel qu’un transformateur électrique triphasé.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un transformateur électrique permet le transfert d’énergie électrique d’un circuit primaire à un circuit secondaire.
Comme cela est connu, dans un transformateur électrique, on utilise un noyau magnétique et des bobinages dans lesquels circule un courant électrique qui génère un champ magnétique permettant le transfert d’énergie électrique du circuit primaire au circuit secondaire. Plus précisément, dans un transformateur électrique, en particulier dans un convertisseur de puissance à inductance magnétisante ou dans un convertisseur de puissance résonnant, on a un bobinage primaire et un bobinage secondaire, formés par des enroulements autour d’un noyau magnétique, entre lesquels est transférée de l’énergie électrique.
Dans un transformateur électrique triphasé, plus particulièrement on a trois enroulements primaires et trois enroulement secondaires enroulés sur différentes portions d’un noyau ferromagnétique de forme adaptée. On connaît notamment des noyaux ferromagnétiques en E, comme représenté sur la figure 1, ou en triangle, comme représenté sur la figure 2.
Tout transformateur électrique présente une inductance de fuite, qui se traduit par une perte d’efficacité car une partie du flux magnétique créé au circuit primaire n’est pas captée par les enroulements du circuit secondaire. Des pertes supplémentaires peuvent en outre apparaître sur les enroulements primaires et secondaires. Dans le cas de convertisseurs de tension non résonnants, des surtensions peuvent par ailleurs survenir. La géométrie des bobinages d’un transformateur électrique, de même que le choix des matériaux magnétiques utilisés pour le noyau magnétique, ou encore la géométrie dudit noyau magnétique, notamment, sont configurés pour respecter des critères électriques et magnétiques. Un objectif du dimensionnement d’un transformateur électrique réside notamment dans le contrôle de la valeur de l’inductance de fuite du transformateur électrique.
Il est connu deux principaux modes de fabrication de tels transformateurs électriques, notamment triphasés. Dans l’exemple de la figure 1, les bobinages sont plats et l’enroulement primaire 310 et l’enroulement secondaire 320 forment deux couches superposées sur chaque jambe 31, 32, 33 du noyau ferromagnétique 30. Un tel transformateur électrique 3 connu, assemblé par l’intermédiaire d’une technique d’enroulement à plat, présente une inductance de fuite faible. En outre, la capacité parasite est dans ce cas très forte au niveau du circuit primaire comme au niveau du circuit secondaire. Par ailleurs, le refroidissement de l’enroulement disposé en dessous, autrement dit de l’enroulement « enfoui », est très difficile.
Sur le même type de noyau ferromagnétique en E, on peut aussi réaliser des enroulements empilés. Un avantage de cette architecture connue réside dans le fait qu’elle est aisée à intégrer et à refroidir. Une telle architecture présente toutefois une inductance de fuite élevée.
Une autre solution connue pour réaliser un transformateur électrique 4 triphasé consiste à disposer les enroulements sur un noyau ferromagnétique en triangle équilatéral, et ainsi avoir des jambes à 60° l’une de l’autre, comme représenté sur la figure 2.
Une telle structure en triangle est toutefois difficile à intégrer mécaniquement.
Dans ce contexte, il est connu, sur la base d’une architecture fondée sur des enroulements empilés sur un noyau ferromagnétique en E, d’utiliser l’inductance de fuite pour faire fonction d’inductance de résonnance et donc favoriser le transfert d’énergie des enroulements primaires vers les enroulements secondaires. Ainsi, l’inductance de fuite, a priori préjudiciable, est valorisée.
Ce principe connu est illustré sur la figure 4. Comme cela est visible sur la figure 4, on dispose des enroulements primaires sur le demi-noyau ferromagnétique en E du haut et des enroulements secondaires sur le demi-noyau ferromagnétique en E du bas.
Le problème technique lié à la mise en œuvre de cette technologie réside dans le fait que le flux magnétique de fuite ne boucle pas. En effet, il se concentre dans les jambes et « saute » des jambes latérales 21, 23 vers la jambe centrale 22, comme cela est illustré sur la figure 4. Les lignes de flux sont ainsi parallèles aux entrefers.
Il existe donc un besoin pour un transformateur électrique triphasé aisé à intégrer et à refroidir et dont l’inductance de fuite est contrôlée.
PRESENTATION DE L’INVENTION
A cette fin, l’invention a pour objet un composant magnétique comprenant deux demi-noyaux ferromagnétiques empilés et superposés pour former un cœur ferromagnétique comprenant trois jambes dont deux premières jambes et une deuxième jambe, chaque jambe étant formée de deux demi-jambes en vis-à-vis et séparées par un entrefer, chaque jambe comprenant un enroulement primaire et un enroulement secondaire présentant un sens d’enroulement, respectivement sur chacune des demi-jambes qui la constituent, le composant magnétique étant caractérisé en ce que, sur la deuxième jambe, l’enroulement primaire et l’enroulement secondaire ainsi que leur sens d’enroulement sont inversés par rapport à ceux des premières jambes.
Notamment, les premières jambes peuvent être des jambes latérales et la deuxième jambe une jambe centrale.
Selon un mode de réalisation, les deux demi-noyaux ferromagnétiques présentent une disposition dite « en triangle » selon lequel, sur chaque demi-noyau ferromagnétique, les trois branches formant respectivement chaque demi-jambe sont à 60° l’une de l’autre. Notamment, les trois branches formant respectivement chaque demi-jambe sont situées sur les sommets d’un triangle équilatéral.
Avantageusement, les deux demi-noyaux ferromagnétiques présentent une forme de E.
L’invention vise aussi un transformateur électrique comprenant un composant magnétique tel que brièvement décrit ci-dessus.
L’invention porte également sur un équipement électrique comprenant un transformateur électrique tel que brièvement décrit ci-dessus.
Avantageusement, ledit équipement électrique comprend un module de refroidissement comprenant une cavité formant un bassin de refroidissement logeant ledit transformateur électrique.
Selon un mode de réalisation, ledit équipement électrique forme un chargeur électrique.
Selon un autre mode de réalisation, ledit équipement électrique forme un convertisseur de puissance.
PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :
: la figure 1 est une représentation schématique d’un premier transformateur électrique connu, avec des enroulements primaire et secondaire disposés en couches superposées ;
: la figure 2 est une représentation schématique d’un premier transformateur électrique connu, avec des enroulements primaire et secondaire disposés sur un noyau ferromagnétique en triangle ;
: la figure 3 est un schéma électrique d’un transformateur électrique ;
: la figure 4 est une représentation schématique d’un transformateur électrique en E, présentant les inconvénients connus ;
: la figure 5 est une représentation schématique d’un exemple de transformateur électrique selon l’invention, assemblé sur un noyau ferromagnétique en E.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour permettre de mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention concerne un composant magnétique, notamment un transformateur triphasé.
La figure 3 représente un schéma électrique équivalent d’un circuit convertisseur de tension résonnant, comportant un transformateur électrique, pour convertir une tension d’entrée VINen une tension de sortie VO. Le transformateur électrique comprend des enroulements primaire et secondaire. Le flux magnétique créé par la circulation d’un courant électrique dans l’enroulement primaire permet le transfert d’énergie vers le circuit secondaire. Au circuit primaire, on trouve un circuit LLC résonnant constitué d’une capacité de résonnance Cr, d’une inductance de résonnance Lr et d’une inductance magnétisante Lm qui peut être intégrée au transformateur électrique. Le transformateur électrique est contrôlé par un demi-pont d’interrupteurs Q1, Q2 connecté à l’enroulement primaire. Les diodes D1, D2 connectées au circuit secondaire permettent d’éviter des retours de courant.
Les figures 4 et 5 représentent respectivement des représentations schématiques d’un transformateur électrique 20 selon l’état de l’art et d’un exemple de transformateur électrique 10 selon l’invention, tous deux basés sur un noyau ferromagnétique en E. Ledit noyau ferromagnétique est formé de deux demi-noyaux présentant une forme de E, empilés tête-bêche.
Le noyau ferromagnétique présente trois jambes 11, 12, 13, 21, 22, 23, à savoir deux jambes latérales 11, 13, 21, 23 et une jambe centrale 12, 22. Chaque jambe 11, 12, 13, 21, 22, 23 est formée de deux demi-jambes en vis-à-vis séparées par un entrefer. Chaque jambe 11, 12, 13, 21, 22, 23 correspond à une phase du transformateur électrique triphasé 20, respectivement 10. Dans un transformateur électrique basé sur un noyau en E, chaque branche du E, autrement dit chaque jambe 11, 12, 13, 21, 22, 23 dudit noyau ferromagnétique, correspond à une phase du transformateur électrique. De même, dans un transformateur en triangle, chaque jambe correspondant à un sommet du triangle est liée à une phase du transformateur électrique.
Sur la figure 4, les enroulements 211, 212, 221, 222, 231, 232 sont réalisés dans le même sens pour l’ensemble des enroulement primaires, qui se trouvent tous sur les demi-jambes supérieures, et, respectivement, pour les enroulements secondaires, qui se trouvent tous sur les demi-jambes inférieures.
L’inconvénient de cette architecture qui représente l’état de l’art schématisé sur la figure 4 réside dans le fait qu’une partie des flux magnétiques de fuite sont dans des sens opposés. Ces flux magnétiques de fuite ne rebouclent pas par la jambe correspondant à leur phase mais sautent d’une jambe à l’autre. En particulier, il se crée des flux magnétiques parallèles aux entrefers et sautant de chaque jambe latérale 21, 23 vers la jambe centrale 22. Autrement dit, un couplage apparaît entre chaque jambe latérale 21, 23 et la jambe centrale 22.
Cela entraîne une augmentation des pertes et un risque de surchauffe au centre du transformateur électrique 20, au niveau de la jambe centrale 22.
Une solution pour éviter ce couplage serait d’éloigner les jambes latérales 21, 23 de la jambe centrale 22, pour empêcher ces sauts de flux magnétique des jambes latérales 21, 23 vers la jambe centrale 22, en augmentant de fait la taille du noyau ferromagnétique. Cependant, cela induirait de toute évidence une augmentation de l’encombrement lié au transformateur électrique, ce qui serait préjudiciable.
La figure 5 montre la solution proposée par la présente invention, selon un mode de réalisation. Au niveau de la jambe centrale 12, on inverse l’enroulement primaire 121 et l’enroulement secondaire 122 et on inverse le sens d’enroulement de ces enroulements primaire 121 et secondaire 122. L’enroulement primaire 121 de la jambe centrale 12 se trouve ainsi du même côté du noyau ferromagnétique que les enroulement secondaires 112, 132 des jambes latérales 11, 13. Réciproquement, l’enroulement secondaire 122 de la jambe centrale 12 se trouve ainsi du même côté du noyau ferromagnétique que les enroulement primaires 111, 131 des jambes latérales 11, 13. En outre, le sens d’enroulement des enroulement primaire et secondaire 121, 122 de la jambe centrale 12 est inversé par rapport à celui des enroulements 111, 112, 131, 132 des jambes latérales 11, 13.
Grâce à l’architecture selon l’invention, on évite les sauts de flux magnétique inter-jambes. Comme le montre la figure 5, en effet, au lieu de se concentrer sur la jambe centrale 12 comme sur la figure 4, les flux magnétiques créés sur les différentes jambes 11, 12, 13 se repoussent deux-à-deux. De ce fait, les flux magnétiques créés sur les jambes latérales 11, 13 ne sautent pas sur la jambe centrale 12.
Ainsi, le flux magnétique sur la jambe centrale 12 n’augmente pas et le risque de surchauffe est par conséquent réduit.
Un avantage lié à la mise en œuvre de l’invention selon le mode de réalisation de la figure 5 réside dans l’utilisation d’un noyau en E standard car celui-ci est aisé à intégrer mécaniquement et aisé à refroidir via des technologies de refroidissement standards, notamment via un bassin de refroidissement, comme cela est connu, permettant d’obtenir un refroidissement adéquat des enroulements et du noyau.
Il faut noter par ailleurs qu’un transformateur électrique triphasé avec un noyau en E de forme linéaire, n’est pas symétrique, au sens où les phases formées sur les jambes latérales 11, 13 sont davantage éloignées l’une de l’autre que de la jambe centrale 12. A l’inverse, dans un transformateur électrique en forme de triangle, notamment équilatéral, les phases sont équidistantes car les jambes le sont. Dans le cas d’un transformateur électrique en E, la présente invention est d’autant plus indiquée pour éviter que le flux magnétique de fuite n’emprunte le même chemin magnétique que le flux magnétique contrôlé. Grâce à l’invention, le flux magnétique de fuite n’interfère pas avec le flux magnétique contrôlé. Autrement dit, le flux magnétique de fuite ne s’oppose pas au flux magnétique contrôlé et ne crée pas de pertes supplémentaires.
Dans le cas d’un transformateur en triangle, notamment en triangle équilatéral, grâce à l’invention, on est dispensé d’un composant inductif externe. En outre, dans ce cas, toutes les jambes sont équidistantes.
Un tel transformateur électrique selon l’invention, comme dit précédemment, peut avantageusement être intégré dans un équipement électrique, notamment pour automobile, en particulier un chargeur électrique ou un convertisseur de puissance.
En outre, dans le cas d’un transformateur électrique en E, un tel transformateur électrique selon l’invention peut aisément être intégré dans un châssis d’équipement électrique comprenant un module de refroidissement avec une cavité formant un bassin de refroidissement logeant ledit transformateur électrique.

Claims (8)

  1. Composant magnétique comprenant deux demi-noyaux ferromagnétiques empilés et superposés pour former un cœur ferromagnétique comprenant trois jambes (11, 12, 13) dont deux premières jambes (11, 13) et une deuxième jambe (12), chaque jambe (11, 12, 13) étant formée de deux demi-jambes en vis-à-vis et séparées par un entrefer, chaque jambe (11, 12, 13) comprenant un enroulement primaire (111, 121, 131) et un enroulement secondaire (112, 122, 132) présentant un sens d’enroulement, respectivement sur chacune des demi-jambes qui la constituent, le composant magnétique étant caractérisé en ce que, sur la deuxième jambe (12), l’enroulement primaire (121) et l’enroulement secondaire (122) ainsi que leur sens d’enroulement sont inversés par rapport à ceux (111, 112, 131, 132) des premières jambes (11, 13).
  2. Composant magnétique selon la revendication 1, dans lequel les deux demi-noyaux ferromagnétiques présentent une disposition dite « en triangle » selon lequel, sur chaque demi-noyau ferromagnétique, les trois branches formant respectivement chaque demi-jambe sont à 60° l’une de l’autre.
  3. Composant magnétique selon la revendication 1, dans lequel les deux demi-noyaux ferromagnétiques présentent une forme de E.
  4. Transformateur électrique (10) comprenant un composant magnétique selon l’une des revendications précédentes.
  5. Equipement électrique comprenant un transformateur électrique (10) selon la revendication précédente.
  6. Equipement électrique selon la revendication précédente, comprenant un module de refroidissement comprenant une cavité formant un bassin de refroidissement logeant ledit transformateur électrique (10).
  7. Equipement électrique selon la revendication 5 ou 6, formant un chargeur électrique.
  8. Equipement électrique selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, formant un convertisseur de puissance.
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