FR3113386A1

FR3113386A1 - Ensemble électrique comprenant un composant magnétique

Info

Publication number: FR3113386A1
Application number: FR2008417A
Authority: FR
Inventors: Boris Bouchez; Stéphane Fontaine
Original assignee: Valeo Siemens eAutomotive Norway AS
Current assignee: Valeo eAutomotive France SAS
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-08-11
Also published as: FR3113386B1

Abstract

L’invention concerne un ensemble électrique (10) comprenant un composant magnétique (300) logé dans un châssis (7), le composant magnétique (300) comprenant une pluralité de branches (41, 42, 43) dont chacune correspond à une des jambes (31, 32, 33) d’un noyau ferromagnétique (30) du composant magnétique (300). Ledit ensemble électrique (10) est remarquable en ce qu’il comprend au moins une remontée mécanique (77) constituée d’un matériau présentant une conductivité thermique adaptée pour dissiper de la chaleur produite par ledit composant magnétique (300) et placée entre deux branches adjacentes parmi les branches (41, 42, 43) du composant magnétique (300). Figure de l’abrégé : Figure 2

Description

Ensemble électrique comprenant un composant magnétique

DOMAINE TECHNIQUE ET OBJET DE L’INVENTION

La présente invention concerne le domaine des équipements électriques et des composants magnétiques, notamment pour véhicule.

Plus précisément, la présente invention vise un ensemble électrique comprenant un composant magnétique et permettant de dissiper, de manière uniformisée, la chaleur générée lors du fonctionnement du composant magnétique tel qu’un transformateur électrique.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Un véhicule électrique ou hybride comprend des équipements électriques et des composants magnétiques tel qu’un transformateur électrique permettant 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 enroulements 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 enroulement primaire et un ou plusieurs enroulements secondaires, enroulés autour d’un noyau magnétique, entre lesquels est transférée de l’énergie électrique.

Un transformateur électrique pour un véhicule électrique ou hybride comprend en général deux jambes dont chacune est composée d’une partie du noyau magnétique avec des enroulements. Néanmoins, vu la grande plage de densité de puissance, par exemple la plage comprise entre 7 kW et 22 kW, il est prévu d’un transformateur comprenant trois ou même plus de jambes afin de s’adapter à l’exigence de la densité de puissance élevée.

Il n’existe toutefois très peu de produits transformateurs à trois jambes, comme le transformateur 3 à trois jambes illustré dans la figure 1, pour véhicule électrique ou hybride. Le transformateur 3 est un transformateur électrique triphasé comprenant un noyau ferromagnétique 30 et ses trois jambes 31, 32, 33. Sur chacune des jambes 31, 32, 33, un enroulement primaire 510 et un enroulement secondaire 520 sont enroulés sur de différentes portions de la jambe 31, 32 ou 33. On connaît notamment des demi-noyaux ferromagnétiques 30a et 30b en forme E, comme représenté sur la figure 1. Les enroulements primaires 510 sont enroulés sur le demi-noyau ferromagnétique 30a, et les enroulements secondaires 520 sont enroulés sur le demi-noyau ferromagnétique 30b. Le noyau ferromagnétique 30 avec les enroulements primaires 510 et secondaires 520 sont logés dans un radiateur faisant partie d’un châssis généralement constitué d’un matériau présentant une bonne conductivité thermique, adaptée pour dissiper de la chaleur produite par ledit transformateur 3.

La chaleur générée lors du fonctionnement du transformateur est dissipée par un module de refroidissement qui, comme cela est connu, sert alors à évacuer de la chaleur produite par des composants électriques et magnétiques. Le module de refroidissement peut être de type actif ou de type passif. Le radiateur mentionné ci-dessus est considéré comme un module de refroidissement passif.

Par rapport au module de refroidissement passif qui ne fait pas intervenir de corps extérieur, un module de refroidissement actif fait intervenir un corps extérieur, en particulier un liquide de refroidissement tel que de l’eau par exemple, dont la circulation, entre une entrée et une sortie du module de refroidissement, ledit module de refroidissement actif étant disposé à proximité ou au contact d’au moins un élément à refroidir, permet d’abaisser la température dudit élément à refroidir.

On note que la taille du composant magnétique et du châssis est limitée en raison de la contrainte de l'espace. Autrement dit, en termes de la taille, le transformateur 3 doit être approximativement le même qu’un transformateur à deux jambes. Chaque jambe (31, 32 ou 33) et les enroulements enroulés sur ladite jambe, sont considérés comme une branche du transformateur 3. Il est donc inévitable que, par rapport au transformateur à deux jambes, les trois branches du transformateur 3 seraient plus proches les unes des autres, comme les deux espacements e1 et e2 indiqués dans la figure 1. Le refroidissement du transformateur 3 est donc considérablement plus difficile car les modules de refroidissement actif et passif ne peuvent plus efficacement dissiper la chaleur, notamment celle cumulée dans les deux espacements e1 et e2. Les branches latérales (correspondant aux jambes latérales 31 et 33) dissipent la chaleur mieux vers des parois du châssis que la branche intérieure (correspondant à la jambe intérieure 32). La température de la branche intérieure risque d’être excessivement haute.

Dans ce contexte, la présente invention vise donc un ensemble électrique permettant, sans augmentation de taille, de refroidir de manière efficace et uniformisée le composant magnétique lors du fonctionnement du composant magnétique.

PRESENTATION GENERALE DE L’INVENTION

A cette fin, la présente invention vise un ensemble électrique comprenant un composant magnétique logé dans un châssis, le composant magnétique comprenant une pluralité de branches dont chacune correspond à une des jambes d’un noyau ferromagnétique du composant magnétique. Ledit ensemble électrique est remarquable en ce qu’il comprend au moins une remontée mécanique constituée d’un matériau présentant une conductivité thermique adaptée pour dissiper de la chaleur produite par ledit composant magnétique et placée entre deux branches adjacentes parmi les branches du composant magnétique.

L’invention permet ainsi, sans augmentation de taille, d’uniformiser la dissipation thermique ainsi que d’améliorer le refroidissement du composant magnétique.

Selon un mode de réalisation, lesdites deux branches adjacentes comprennent au moins une branche intérieure ; l’au moins une remontée mécanique étant placée dans un espacement se situant entre lesdites deux branches adjacentes, de sorte à uniformiser la dissipation de la chaleur issue desdites deux branches adjacentes.

Selon un mode de réalisation, l’ensemble électrique comporte le châssis qui comprend une cavité configurée pour recevoir le noyau ferromagnétique et des enroulements enroulés sur les jambes du noyau ferromagnétique ; dans lequel l’au moins une remontée mécanique est issue du châssis, de manière perpendiculaire, d’une surface inférieure qui est le fond de ladite cavité.

Avantageusement, ladite cavité est délimitée par ladite surface inférieure et des parois du châssis, les parois étant perpendiculaires de ladite surface inférieure.

Selon un mode de réalisation, le châssis est constitué d’un matériau présentant une conductivité thermique adaptée pour dissiper de la chaleur produite par ledit composant magnétique.

Notamment, le châssis, comprenant les parois et l’au moins une remontée mécanique, est d’un seul tenant fabriqué par moulage.

Selon un mode de réalisation, l’au moins une remontée mécanique présente une épaisseur supérieure ou égale à 3 mm.

Selon un mode de réalisation, le composant magnétique est un transformateur à trois jambes configuré pour un véhicule électrique ou hybride.

Selon un mode de réalisation, l’ensemble électrique comprend un support d'enroulement destiné à recevoir une des branches du composant magnétique, le support d'enroulement étant placé entre la jambe de la branche et les enroulements sur ladite jambe, de sorte à positionner les enroulements sur ladite jambe.

L’invention vise également un équipement électrique comprenant un ensemble électrique tel que brièvement décrit ci-dessus, notamment un module électronique 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 transformateur électrique à trois jambes connu ;

: la figure 2 illustre un ensemble électrique comprenant un transformateur électrique à trois jambes logé dans un châssis, selon un mode de réalisation de l’invention ;

: la figure 3 illustre, sans présence des enroulements d’une branche du composant magnétique, l’ensemble électrique selon un mode de réalisation de l’invention ;

: la figure 4 illustre, sans présence du composant magnétique, le châssis comprenant des remontées mécaniques, selon un mode de réalisation de l’invention.

Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Les figure 2 et 3 illustrent un ensemble électrique 10 selon un mode de réalisation de l’invention. L’ensemble électrique 10 comprend un composant magnétique 300 et un châssis 7 configuré pour recevoir le composant magnétique 300.

L’ensemble électrique 10 et ses éléments sont pour un véhicule électrique ou hybride. L’ensemble électrique 10 selon l’invention est destiné à être intégré dans un équipement électrique tel qu’un module de puissance électronique du véhicule. Le module de puissance électronique est configuré pour permettre un passage commandé d’énergie électrique entre une batterie d’alimentation haute tension et une machine électrique du véhicule. Plus précisément, par « module électronique de puissance », on entend un ensemble comprenant des composants par lesquels passe de l’énergie alimentant la machine électrique, notamment destinés à transformer le courant continu en courants alternatifs ou vice-versa. Ces composants peuvent comprendre des interrupteurs électroniques, tels que par exemple des transistors semi-conducteurs, agencés en circuit électrique pour permettre un passage commandé d’énergie électrique entre la batterie d’alimentation haute tension et la machine électrique. En particulier, les composants sont des puces semi-conductrices nues pour lesquels le corps réalise une encapsulation. Autrement dit, un module électronique de puissance est un ensemble comprenant une pluralité de puces semi-conductrices formant un circuit électrique encapsulées dans un même boîtier.

Le composant magnétique 300 comprend un noyau ferromagnétique comprenant une pluralité de jambes. Les jambes comprennent au moins une jambe intérieure qui est pris en sandwich entre deux jambes adjacentes du composant magnétique 300. Autrement dit, l’au moins une jambe intérieure n’est pas adjacente à des parois 75 d’une cavité 71 formée dans le châssis 7 pour recevoir le composant magnétique 300. Les jambes comprennent en outre des jambes latérales qui sont à la fois adjacentes aux parois 75 de la cavité 71 et à l’au moins une jambe intérieure.

Dans le présent mode de réalisation, ledit composant magnétique 300 est un transformateur à trois jambes présentant une structure similaire à celle du transformateur 3 comme décrit ci-dessus et en figure 1. Ainsi, des éléments du composant magnétique 300 qui présentent des fonctions et des noms similaires voire identiques à ceux du transformateur 3, sont indiqués par les mêmes numéros de référence (e.g. des jambes 31 à 33). L'invention n'est pas limitée au type de composant magnétique ou au nombre de jambes. Selon l’invention, le composant magnétique 300 peut être par exemple un convertisseur présentant un noyau ferromagnétique comprenant plus de trois jambes.

Le composant magnétique 300 comprend un noyau ferromagnétique 30 qui présente trois jambes 31, 32, 33, à savoir deux jambes latérales 31, 33 et une jambe intérieure 32. Pour faciliter l'assemblage lors de la fabrication du composant magnétique 300, le noyau ferromagnétique 30 comprend de préférence un premier demi-noyaux ferromagnétique 30a et un deuxième demi-noyaux ferromagnétique 30b respectivement en forme E. Chacune des trois jambes 31, 32, 33 est formée de deux demi-jambes dont une fait partie du premier demi-noyau ferromagnétique 30a et l’autre fait partie du deuxième demi-noyau ferromagnétique 30b. Lesdites deux demi-jambes sont de préférence en vis-à-vis séparées par un entrefer. Dans un exemple où le composant magnétique 300 est un transformateur électrique triphasé, chaque jambe 31, 32, 33 correspond à une phase du transformateur électrique triphasé.

Sur chacune des jambes 31 à 33, un enroulement primaire 510 et au moins un enroulement secondaire 520 sont respectivement enroulés sur une des demi-jambes de la jambe. Dans l’exemple illustré en figure 2, sur chaque jambes 31, 32, 33 un seul enroulement secondaire 520 est présent. Les enroulements primaires 510 sont enroulés sur les demi-jambes qui font parties du demi-noyau ferromagnétique 30a alors que les enroulements secondaires 520 sont enroulés sur les demi-jambes qui font parties du demi-noyau ferromagnétique 30b. Il est noté que l'invention n'est pas limitée à la réalisation du composant magnétique 300. Dans un autre mode de réalisation (non illustré en figures), sur chacune des jambes 31, 32, 33 du noyau ferromagnétique 30, l’enroulement primaire 510 et l’enroulement secondaire 520 forment deux couches superposées.

La figure 4 illustre, sans présence du composant magnétique 300, le châssis 7 comprenant des remontées mécaniques 77 (qui seront décrites en détail ultérieurement), selon un mode de réalisation de l’invention. Le châssis 7 forme de préférence un radiateur 7 de dissipation thermique qui sert de module de refroidissement passif configuré pour favoriser la dissipation de la chaleur générée lors du fonctionnement du composant magnétique 300. Le radiateur 7 peut être un élément existant du véhicule électrique ou hybride où le composant magnétique 300 est installé. Le châssis 7 est de préférence constitué d’un matériau présentant une bonne conductivité thermique, par exemple l’aluminium.

Ladite cavité 71, formée dans le châssis 7 pour recevoir le noyau ferromagnétique 30 et les enroulements 510 et 520, est délimitée par les parois 75 ainsi que par une surface inférieure 73 faisant partie d’une première surface du châssis 7. La surface inférieure 73 est le fond de la cavité 71. Les parois 75 sont de préférence perpendiculaires de ladite surface inférieure 73. Dans un mode de réalisation avantageux, les parois 75 s'étendent, de manière perpendiculaire, depuis ladite surface inférieure 73.

Selon un mode de réalisation, l’ensemble électrique 10 comprend en outre un module de refroidissement actif (non illustré en figures) installé à une deuxième surface du châssis 7, la deuxième surface étant opposée à ladite première surface sur laquelle ladite cavité 71 est formée. Le module de refroidissement actif comporte par exemple une entrée de liquide de refroidissement et une sortie de liquide de refroidissement. Un liquide de refroidissement (e.g. l’eau) circule dans des canaux situés dans le module de refroidissement actif, de sorte à refroidir le châssis 7, le composant magnétique 300 et d’autres éléments disposés à proximité.

Chaque jambe et les enroulements 510 et 520 enroulés sur ladite jambe, sont considérés comme une branche du composant magnétique 300. Comme illustré en figure 2, le composant magnétique 300 comprend trois branches 41 à 43 dont la branche intérieure 42 comprend la jambe intérieure 32 et les enroulements 510 et 520 enroulés sur la jambe intérieure 32. La branche latérale 41 comprend la jambe latérale 31 du noyau ferromagnétique 30 et les enroulements 510 et 520 enroulés sur la jambe latérale 31. La branche latérale 43 comprend la jambe latérale 33 et les enroulements 510 et 520 correspondants.

Comme illustré en figure 3, l’ensemble électrique 10 comprend de préférence une pluralité de supports d'enroulements 61 (également désignés « coil formers » en anglais) dont chacun est destiné à recevoir une des branches 41, 42 ou 43 du composant magnétique 300. Le support d'enroulement 61 correspondant à une des branches, est installé entre la jambe de ladite branche et les enroulements 510 et 520, de sorte à positionner les enroulements 510, 520 sur ladite jambe. Dans un mode de réalisation, le support d'enroulements 61 comprend un tube 618, des plaques d'extrémité 612, 613 et une plaque intermédiaire 615. Le tube 618 du support d'enroulements 61 permet à la jambe de le traverser. Une zone délimitée par la plaque d'extrémité 612, une surface externe du tube 618 et la plaque intermédiaire 615, est destinée à recevoir l’enroulement primaire 510. Une autre zone délimitée par la plaque d'extrémité 613, la surface externe du tube 618 et la plaque intermédiaire 615, est destinée à recevoir l’enroulement secondaire 520. Les plaques d'extrémité 612, 613 et la plaque intermédiaire 615 sont de préférence issues, de manière perpendiculaire, de la surface externe du tube 618. Les supports d'enroulements 61 sont en matériau de type plastique.

Par rapport à l’au moins une branche intérieure du composant magnétique 300, les branches latérales du composant magnétique 300 dissipent la chaleur plus facilement vers les parois 75 de la cavité 71.

Pour uniformiser la dissipation de chaleur ainsi qu’à améliorer le refroidissement, l’ensemble électrique 10 comprend au moins une remontée mécanique 77 constituée d’un matériau présentant une bonne conductivité thermique adaptée (e.g. l’aluminium) et placée entre deux branches adjacentes parmi les branches du composant magnétique 300. Plus précisément, une ou plusieurs remontées mécaniques 77 sont placées dans un espacement entre deux branches adjacentes qui comprennent au moins une branche intérieure, de sorte à uniformiser la dissipation de la chaleur issue des deux branches adjacentes. Plus précisément, les deux branches adjacentes comprennent, soit une branche intérieure et une branche latérale, soit deux branches intérieures (ce qui peut être le cas où le composant magnétique 300 comprend plus que trois branches). Ainsi, la température de l’au moins une branche intérieure ne risque plus d’être excessivement haute.

Il existe une pluralité d’espacements respectivement se situant entre deux branches adjacentes du composant magnétique 300, comme un premier et un deuxième espacements E1 et E2. Le premier espacement se situe entre la branche intérieure 42 et la branche latérale 41 qui est adjacente à la branche intérieure 42. Le deuxième espacement E2 se situe entre la branche intérieure 42 et la branche latérale 43 qui est adjacente à la branche intérieure 42. Afin d'assurer l’uniformisation de la dissipation thermique par rapport aux toutes branches du composant magnétique 300, une ou plusieurs remontées mécaniques 77 sont placées dans chacun des espacements, comme illustré en figures 2 et 3. Ainsi, l’au moins une remontée mécanique 77 (i.e. les quatre remontées mécaniques 77 illustrées en figure 4) de part et d’autre de l’au moins une branche intérieure (e.g. la branche intérieure 42), permet d’uniformiser la dissipation de la chaleur issue des branches du composant magnétique 300, et d’améliorer en particulier la dissipation de la chaleur issue de l’au moins une branche intérieure 42.

Dans un mode de réalisation, l’au moins une remontée mécanique 77 est une remontée constituée d’un matériau présentant une conductivité thermique adaptée, par exemple l’aluminium. L’au moins une remontée mécanique 77 présente une épaisseur 77e de préférence supérieure ou égale à 3 mm (millimètre). La taille de l’ensemble électrique 10 est déterminée en fonction de l’épaisseur 77e de l’au moins une remontée mécanique 77. Si l’épaisseur 77e de l’au moins une remontée mécanique 77 est faible, le composant magnétique 300 ainsi que l’ensemble électrique 10 présentent une taille réduite.

L’au moins une remontée mécanique 77 est de préférence perpendiculaire de ladite surface inférieure 73. De manière avantageuse, l’au moins une remontée mécanique 77 est issue du châssis 7. Selon un mode de réalisation préférentiel, le châssis 7 comprenant les parois 75 et les remontées mécaniques 77, est d’un seul tenant fabriqué par exemple par moulage.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation conforme à son esprit.

Claims

Ensemble électrique (10) comprenant un composant magnétique (300) logé dans un châssis (7), le composant magnétique (300) comprenant une pluralité de branches (41, 42, 43) dont chacune correspond à une des jambes (31, 32, 33) d’un noyau ferromagnétique (30) du composant magnétique (300) ; l’ensemble électrique (10) étantcaractérisé en ce qu’il comprend au moins une remontée mécanique (77) constituée d’un matériau présentant une conductivité thermique adaptée pour dissiper de la chaleur produite par ledit composant magnétique (300) et placée entre deux branches adjacentes parmi les branches (41, 42, 43) du composant magnétique (300).
Ensemble électrique (10) selon la revendication 1, dans lequel lesdites deux branches adjacentes comprennent au moins une branche intérieure (42) ; l’au moins une remontée mécanique (77) étant placée dans un espacement (E1) se situant entre lesdites deux branches adjacentes, de sorte à uniformiser la dissipation de la chaleur issue desdites deux branches adjacentes (42, 41).
Ensemble électrique (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant le châssis (7) qui comprend une cavité (71) configurée pour recevoir le noyau ferromagnétique (30) et des enroulements (510, 520) enroulés sur les jambes (41, 42, 43) du noyau ferromagnétique (30) ; dans lequel l’au moins une remontée mécanique (77) est issue du châssis (7), de manière perpendiculaire, d’une surface inférieure (73) qui est le fond de ladite cavité (71).
Ensemble électrique (10) selon la revendication 3, dans lequel ladite cavité (71) est délimitée par ladite surface inférieure (73) et des parois (75) du châssis (7), les parois (75) étant perpendiculaires de ladite surface inférieure (73).
Ensemble électrique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le châssis (7) est constitué d’un matériau présentant une conductivité thermique adaptée pour dissiper de la chaleur produite par ledit composant magnétique (300).
Ensemble électrique (10) selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel le châssis (7), comprenant les parois (75) et l’au moins une remontée mécanique (77), est d’un seul tenant fabriqué par moulage.
Ensemble électrique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’au moins une remontée mécanique (77) présente une épaisseur (77e) supérieure ou égale à 3 mm.
Ensemble électrique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le composant magnétique (300) est un transformateur à trois jambes configuré pour un véhicule électrique ou hybride.
Ensemble électrique (10) selon l’une quelconque des revendications 3 à 8, comprenant un support d'enroulement (61) destiné à recevoir une des branches (41, 42, 43) du composant magnétique (300), le support d'enroulement (61) étant placé entre la jambe de la branche et les enroulements (510, 520) sur ladite jambe, de sorte à positionner les enroulements (510, 520) sur ladite jambe.
Equipement électrique comprenant un ensemble électrique (10) selon l’une des revendications précédentes.