WO2011124835A1 - Organe intercalaire pour une bobine de transformateur, bobine comportant un tel organe, partie active et transformateur comprenant une telle partie active - Google Patents

Abstract

Cet organe intercalaire (20) pour isoler deux enroulements appartenant à une bobine comprend une plaque (21 ) globalement annulaire et plusieurs entretoises (31 - 36) disposées au moins sur l'une des faces de la plaque (21 ) de façon à définir des canaux pour l'écoulement d'un fluide diélectrique. La plaque (21 ) et les entretoises (31 - 36) sont réalisées en poly-aramide. Des entretoises dites principales (31 -34) définissent au moins un canal principal (51 -53), le ou chaque canal principal (51 -53) présentant de multiples changements de direction et s'étendant suivant une direction principale (Y23- Y24) qui joint deux bords opposés (23, 24) de la plaque (21 ). Les entretoises (31 -36) principales sont monobloc et s'étendent sur une longueur (L31, L32, L33, L34) supérieure ou égale à 40% de la longueur (L21 ) de la plaque (21 ), les longueurs étant mesurées parallèlement à la direction principale (Y23-Y24).

Description

ORGANE INTERCALAIRE POUR UNE BOBINE DE TRANSFORMATEUR, BOBINE COMPORTANT UN TEL ORGANE, PARTIE ACTIVE ET TRANSFORMATEUR

COMPRENANT UNE TELLE PARTIE ACTIVE La présente invention concerne un organe intercalaire pour isoler deux enroulements de conducteurs en spirales appartenant à une bobine de transformateur de traction. Par ailleurs, la présente invention concerne une bobine de transformateur de traction comprenant au moins un tel organe intercalaire. De plus, la présente invention concerne une partie active de transformateur de traction comprenant au moins une telle bobine. D'autre part, la présente invention concerne un transformateur de traction comprenant une telle partie active.

La présente invention peut être utilisée dans le domaine des transformateurs de traction, lesquels équipent des véhicules à énergie électrique tel qu'un train, un tramway ou un métro.

Une bobine de transformateur de traction comprend généralement une succession d'enroulement de conducteurs en spirales, parfois dénommés « galettes », et plusieurs organes intercalaires, parfois dénommés « rondelles-écrans ». Les enroulements et les organes intercalaires sont superposés de façon alternée et coaxiale. Chaque organe intercalaire a généralement pour fonction de refroidir, de supporter et d'isoler électriquement deux enroulements qui lui sont superposés.

US-A-3 602 858 concerne un appareil électrique à induction, du type transformateur. Ce transformateur comprend un enroulement constitué de plusieurs bobines espacées axialement, entre lesquelles sont disposées des rondelles isolantes. Des entretoises sont disposées entre les rondelles isolantes et les adjacentes pour former des conduits de refroidissement.

De manière connue, un organe intercalaire de l'art antérieur comprend généralement une plaque et plusieurs entretoises disposées sur les faces de cette plaque. La plaque et les entretoises peuvent être réalisées en poly-aramide, matériau qui présente un comportement mécanique, une résistivité électrique et une résistance aux sollicitations thermiques appropriés. Un tel organe intercalaire comporte une multitude de petites entretoises distantes les unes des autres de façon à définir des passages pour l'écoulement du fluide diélectrique. La fabrication d'un tel organe intercalaire s'avère longue et difficile, donc coûteuse, car chacune des nombreuses entretoises doit être positionnée à un emplacement précis pour contribuer à remplir les fonctions de support et de refroidissement. La présente invention vise notamment à remédier à ces inconvénients, en proposant un organe intercalaire de fabrication simplifiée et au fonctionnement optimisé pour le refroidissement, le support mécanique et l'isolation électrique.

A cet effet, l'invention a pour objet un organe intercalaire pour isoler deux enroulements de conducteurs en spirales appartenant à une bobine de transformateur de traction, l'organe intercalaire comprenant au moins une plaque et plusieurs entretoises, ladite au moins une plaque présentant une forme globalement annulaire, les entretoises étant disposées au moins sur l'une des faces de la plaque de façon à définir des canaux pour l'écoulement d'un fluide diélectrique, la plaque et les entretoises étant réalisées totalement ou partiellement en poly-aramide, de préférence en Nomex (marque déposée). Cet organe intercalaire se caractérise en ce que des entretoises dites principales définissent au moins un canal principal , le ou chaque canal principal présentant de multiples changements de direction et s'étendant suivant une direction principale qui joint deux bords opposés de la plaque, et en ce que les entretoises principales sont monobloc et s'étendent sur une longueur supérieure ou égale à 40% de la longueur de la plaque, les longueurs étant mesurées parallèlement à la direction principale.

En d'autres termes, les entretoises principales sont longues par rapport aux dimensions de la plaque, ce qui limite le nombre d'entretoises nécessaires pour remplir les fonctions de support, refroidissement et isolation. Un organe intercalaire selon l'invention est donc plus simple et moins coûteux à fabriquer.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais facultatives de l'invention, prises isolément ou selon toute combinaison techniquement admissible :

- les entretoises principales s'étendent sur une longueur supérieure ou égale à 70% de la longueur de la plaque ;

- les entretoises principales sont solidarisées à la plaque au moyen de soudures par ultrasons réalisées dans le poly-aramide ;

- des entretoises présentent des tronçons rectilignes dans la région des bords opposés de la plaque ;

- la superficie occupée par les entretoises disposées sur une face de la plaque est inférieure ou égale à 50%, de préférence inférieure ou égale à 40%, de préférence encore inférieure ou égale à 35% de la superficie de ladite face de la plaque ;

- des entretoises sont disposées de façon à rendre étanches au fluide diélectrique les bords de la plaque qui s'étendent parallèlement à la direction principale ;

- l'organe intercalaire comprend plusieurs canaux principaux - les entretoises principales définissant le ou chaque canal principal présentent une forme de fonction périodique ;

- la forme de fonction périodique est sélectionnée dans le groupe constitué de zigzags, de dents de scie, de sinusoïdes et de créneaux ; et

- la plaque comporte un détrompeur, tel qu'une encoche, un orifice ou une saillie, pour discriminer les deux faces de la plaque lors de l'assemblage de l'organe intercalaire dans la bobine de transformateur.

Par ailleurs, la présente invention a pour objet une bobine de transformateur de traction comprenant une succession d'enroulements de conducteurs en spirales et plusieurs organes intercalaires tel qu'exposé ci-avant, deux enroulements successifs étant isolés par au moins un organe intercalaire, les enroulements et les organes intercalaires étant superposés de façon alternée et coaxiale.

De plus, la présente invention a pour objet une partie active de transformateur de traction comprenant au moins une bobine basse tension et au moins une bobine haute tension superposées de façon coaxiale, la partie active étant caractérisée en ce qu'au moins une des bobines basse tension et haute tension est telle qu'exposée ci- avant.

En outre, la présente invention a pour objet un transformateur de traction, dans lequel le circuit magnétique entoure les bobines, le transformateur comprenant une partie active telle qu'exposée ci-avant.

La présente invention sera bien comprise et ses avantages ressortiront aussi à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 est une vue en coupe d'une partie d'une bobine de transformateur conforme à la présente invention ;

la figure 2 est une vue de face, suivant les flèches II à la figure 1 , d'un organe intercalaire conforme à la présente invention ; sur la figure 2, le plan de coupe de la figure 1 est repéré par la droite l-l ; et

la figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail II I à la figure 2. Une partie active de transformateur conforme à l'invention comprend au moins une bobine haute tension et une bobine basse tension, dont l'une au moins est conforme à l'invention. La figure 1 illustre une partie d'une bobine 1 du type haute tension.

Dans la présente demande, les expressions « basse tension » et « haute tension » sont relatives à l'échelle des tensions présentes dans un transformateur de traction conforme à l'invention. Par exemple, pour un transformateur de traction dont la puissance utile est d'environ 1000 kVA, la basse tension peut être typiquement comprise entre 500 V et 2000 V, tandis que la haute tension peut être typiquement comprise entre 15 kV et 30 kV.

La bobine 1 comprend un empilement ou une succession d'enroulements 10 de conducteurs non représentés et enroulés en spirale. La bobine 1 comprend aussi plusieurs organes intercalaires 20 conformes à l'invention. Les organes intercalaires 20 sont qualifiés d'« intercalaires », car deux enroulements 10 successifs sont isolés par au moins un organe intercalaire 20, en l'occurrence par un seul organe intercalaire 20 dans l'exemple de la figure 1 .

Les extrémités axiales de la bobine 1 , suivant une direction de superposition X1 -

ΧΊ , sont formées par des organes séparateurs 2 et 3. Les enroulements 10 et les organes intercalaires 20 sont superposés de façon alternée et coaxiale, l'axe de superposition étant confondu ou parallèle à la direction de superposition Χ1 -ΧΊ . Dans la présente demande, le terme « coaxial » fait référence à un axe de symétrie globale des organes intercalaires 20 et des enroulements 10. Dans l'exemple des figures 1 et 2, cet axe de symétrie globale est confondu avec la direction de superposition Χ1 -ΧΊ .

Un organe intercalaire 20 conforme à l'invention comprend une plaque 21 et des entretoises qui sont désignées dans leur ensemble par la référence 30 à la figure 1 . Ces entretoises sont parfois aussi dénommées « cales ».

La figure 2 montre un organe intercalaire 20 comprenant une plaque 21 et un ensemble 30 d'entretoises dont certaines sont désignées aux figures 2 et 3 par les références 31 , 32, 33, 34, 35 et 36. Les entretoises de l'ensemble 30 qui sont visibles à la figure 2 sont disposées sur l'une des faces 21 1 de la plaque 21 . Comme le montre la figure 1 , un autre ensemble d'entretoises, symétrique à l'ensemble 30 par rapport à la plaque 21 , est disposé sur l'autre face 212 de la plaque 21 . Le profil des enroulements 10 superposés à l'organe intercalaire 20 sont représentés en traits mixtes sur les figures 2 et 3.

Les entretoises 31 à 36 sont disposées sur la plaque 21 de façon à définir des canaux, en particulier des canaux principaux 51 , 52 et 53 visibles à la figure 2, pour l'écoulement d'un fluide diélectrique. Ce fluide diélectrique peut être par exemple un ester synthétique tel que du Midel (marque déposée). Le fluide diélectrique permet de refroidir la bobine 1 en évacuant de la chaleur produite dans les enroulements 10 lorsque le transformateur est en service. Le fluide diélectrique contribue aussi à isoler électriquement deux enroulements 10 successifs.

La plaque 21 et les entretoises de l'ensemble 30, dont les entretoises 31 à 36 sont réalisées totalement en poly-aramide et, plus particulièrement en Nomex (marque déposée). Le comportement mécanique, la résistivité électrique et la résistance aux sollicitations thermiques de ce poly-aramide permettent à l'organe intercalaire 20 de remplir ses fonctions de support mécanique et d'isolation électrique des enroulements 10. La fonction de support mécanique consiste notamment à minimiser la flèche produite entre deux entretoises lors d'une sollicitation mécanique survenant par exemple lors d'un court-circuit.

Les conducteurs non représentés formant les enroulements 10 sont enroulés en spirales plates globalement autour de la direction de superposition Χ1-ΧΊ . Ces conducteurs peuvent être par exemple constitués par des fils multibrins recouverts d'une gaine en poly-aramide, par exemple en Nomex (marque déposée). Cette gaine peut être réalisée par guipage des conducteurs.

La plaque 21 a une forme globalement annulaire. La région centrale de la plaque 21 présente une ouverture 22 en forme de rectangle qui est destinée au passage d'un noyau magnétique non représenté. La périphérie extérieure de la plaque 21 est globalement en forme de rectangle, dont les coins sont chanfreinés. La périphérie extérieure de la plaque 21 a donc plus précisément la forme d'un octogone.

Parmi les entretoises de l'ensemble 30, on distingue des entretoises dites principales 31 , 32, 33 et 34 et des entretoises dites secondaires 35 et 36. Les entretoises principales 31 à 34 définissent trois canaux principaux 51 , 52 et 53. Chaque canal principal 51 , 52 ou 53 présente de multiples changements de directions et s'étend suivant une direction principale Y23-Y24 qui joint deux bords opposés 23 et 24 de la plaque 21 . Dans l'exemple de la figure 2, la direction principale Y23-Y24 est parallèle à la plus grande dimension de la plaque 21 , c'est-à-dire au grand côté du rectangle formé par l'ouverture 22. En d'autres termes, la direction principale Y23-Y24 est parallèle à la grande longueur du rectangle définissant l'ouverture 22 ou du rectangle dans lequel est inscrit la périphérie extérieure de la plaque 21 . De plus la direction principale Y23-Y24 est perpendiculaire à la direction de superposition Χ1 -ΧΊ .

Plus précisément, les entretoises principales 31 et 33 définissent le canal principal 51 , les entretoises principales 31 et 32 définissent entre elles le canal principal 52 et les entretoises principales 32 et 34 définissent entre elles le canal principal 53.

Ainsi, les entretoises, notamment les entretoises 31 à 36, contribuent à remplir la fonction de refroidissement de la bobine 1 , car elles définissent des canaux, notamment les canaux principaux 51 , 52 et 53, pour l'écoulement du fluide diélectrique destiné à évacuer la chaleur produite dans les enroulements 10. De plus, les entretoises 31 à 36 contribuent à remplir la fonction de support en transmettant à la plaque 20 les efforts exercés par les enroulements 10 soumis à un champ magnétique. En outre, les entretoises, le fluide diélectrique et les dimensions de la plaque 21 permettent d'isoler électriquement deux enroulements 10 successifs.

Pour réaliser les multiples changements de directions de chaque canal principal 51 , 52 ou 53, les entretoises principales 31 à 34 présentent, de préférence, chacune une forme de fonction périodique. Plus précisément, les bords des entretoises 31 à 34 présentent des formes de fonctions périodiques. Ainsi, les entretoises principales 31 et 32 ont des formes de zigzags et les entretoises 33 et 34 ont des formes de créneaux.

La forme de fonction périodique peut-être sélectionnée dans le groupe constitué de zigzags, de dents de scie, de sinusoïdes et de créneaux. Ces formes de fonctions périodiques permettent de définir des canaux principaux 51 , 52 et 53 qui présentent de multiples changements de direction suivant la direction principale Y23-Y24 et sur la majeure partie de leur longueurs respectives.

Dans la région des bords 23 et 24, les entretoises 31 à 36 présentent des tronçons rectilignes. Ces tronçons rectilignes permettent de collecter et d'évacuer le fluide diélectrique sans générer de perte de charges excessives.

Par ailleurs, chaque entretoise principale 31 à 34 est monobloc et s'étend sur une longueur respective L31 , L32, L33 ou L34 qui est supérieure ou égale à 40%, de préférence supérieure ou égale à 70%, de la longueur L21 de la plaque 21 , les longueurs étant mesurées parallèlement à la direction principale Y23-Y24..

La longueur L21 peut être par exemple d'environ 1000 mm. La largeur maximale de la plaque 21 , mesurée perpendiculairement à la direction principale Y23-Y24, peut être par exemple d'environ 1000 mm. Dans l'exemple des figures 2 et 3, les longueurs L31 , L32, L33 et L34 sont respectivement d'environ 786 mm, 976 mm, 571 mm et 476 mm, soit respectivement 79%, 98%, 57% et 48% de la longueur L21 .

La réalisation des entretoises principales 31 à 34 de façon monobloc simplifie leur solidarisation à la plaque 21 . En effet, les entretoises 31 à 36 peuvent être solidarisées à la plaque 21 au moyen de soudures par ultrasons réalisées dans le poly- aramide. Dans la mesure où les entretoises de l'ensemble 30, en particulier les entretoises principales 31 à 36, sont positionnées de façon précise, leur réalisation monobloc réduit leur temps d'assemblage à la plaque 21 , donc le coût d'un organe intercalaire 20.

Dans la présente demande, le terme « monobloc » se rapporte à une pièce formée d'un seul tenant suivant au moins l'une de ses dimensions. Par exemple, une entretoise principale est d'un seul tenant suivant sa longueur, c'est-à-dire suivant la direction principale Y23-Y24. La superficie qu'occupent toutes les entretoises disposées sur la face 21 1 de la plaque 21 est inférieure ou égale à 50%, de préférence inférieure ou égale à 40%, de préférence encore inférieure ou égale à 35% de la superficie totale de cette face 21 1 . Comme le montre la figure 2, la superficie dite « occupée » par les entretoises sur la face 21 1 est représentée en blanc. Inversement, la superficie inoccupée ou « libre » de la face 21 1 est représentée en grisé sur les figures 2 et 3. La superficie inoccupée ou « libre » de la face 21 1 est dédiée à la circulation du fluide diélectrique. Dans l'exemple des figures 2 et 3, le rapport entre la superficie « occupée » et la superficie totale d'une face de la plaque 21 est d'environ 30%. Un tel rapport permet de trouver un compromis optimal entre les fonctions de support mécanique et de refroidissement que remplit l'organe intercalaire 20.

Les entretoises 33 et 34 sont disposées sur la plaque 21 de façon à rendre étanche au fluide diélectrique les bords 25 et 26 de la plaque 21 qui s'étendent parallèlement à la direction principale Y23-Y24. Ainsi, le fluide diélectrique s'écoule depuis le bord 24 vers le bord 23 sans fuite par les bords 25 et 26, ce qui garantit un refroidissement relativement uniforme de la plaque 21 .

De même, dans le but de minimiser la flèche que présente un enroulement 10 entre deux entretoises successives, la distance maximale séparant deux entretoises 31 , 32 successives, mesurée parallèlement ou perpendiculairement à la direction principale Y23-Y24, est inférieure ou égale à 70 mm, de préférence inférieure ou égale à 50 mm. Comme le montre la figure 2, cette distance maximale séparant deux entretoises successives peut être une distance L31 .32 mesurée parallèlement à la direction principale Y23-Y24, ou une distance H31 .32 mesurée perpendiculairement à la direction principale Y23-Y24.

Par ailleurs, la périphérie extérieure de la plaque 21 comporte une encoche 27 remplissant la fonction de détrompeur. Un tel détrompeur permet de diminuer les coûts de fabrication d'un organe intercalaire, car un opérateur peut discriminer rapidement les deux faces 21 1 et 212 de la plaque 21 lors de l'assemblage de l'organe intercalaire 20 entre deux enroulements 10 et dans la bobine 1 du transformateur conforme à l'invention. Un tel détrompeur réduit donc les risques d'erreurs lors de l'assemblage.

Selon une variante non représentée, le détrompeur peut être formé par une saillie ou par un orifice.

Un organe intercalaire 20 a pour fonction de refroidir les enroulements 10, de les supporter mécaniquement et de les isoler électriquement les uns des autres. La réalisation des composants d'un intercalaire 20 en poly-aramide, de préférence en Nomex (marque déposée), permet de supporter des températures plus élevées que des matériaux traditionnels tels que le carton.

Selon une variante non représentée, l'organe intercalaire conforme à l'invention comprend un seul canal principal.

Les entretoises principales définissant les canaux principaux d'un organe intercalaire selon l'invention sont longues par rapport aux dimensions de la plaque, ce qui limite le nombre d'entretoises nécessaires pour remplir les fonctions de support mécanique, de refroidissement et d'isolation électrique. Un organe intercalaire selon l'invention est donc plus simple et moins coûteux à fabriquer.

Une partie active conforme à l'invention peut être incorporée à un transformateur de traction, notamment à un transformateur de type « cuirassé » dans lequel le circuit magnétique entoure les deux bobines. Une bobine et une partie active conformes à l'invention, qui incorporent des organes intercalaires conformes à l'invention, sont non seulement peu coûteuses mais également fiables, car les fonctions de support mécanique, de refroidissement et d'isolation électrique sont remplies efficacement par les organes intercalaires selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS - Organe intercalaire (20) pour isoler deux enroulements (10) de conducteurs en spirales appartenant à une bobine (1 ) de transformateur de traction, l'organe intercalaire (20) comprenant au moins une plaque (21 ) et plusieurs entretoises (31 -36), ladite au moins une plaque (21 ) présentant une forme globalement annulaire, les entretoises (31 -36) étant disposées au moins sur l'une des faces (21 1 , 212) de la plaque (21 ) de façon à définir des canaux pour l'écoulement d'un fluide diélectrique, la plaque (21 ) et les entretoises (31 -36) étant réalisées totalement ou partiellement en poly-aramide, de préférence en Nomex (marque déposée), cet organe intercalaire (20) étant caractérisé en ce que des entretoises dites principales (31 -34) définissent au moins un canal principal (51 -53), le ou chaque canal principal (51 -53) présentant de multiples changements de direction et s'étendant suivant une direction principale (Y23- Y24) qui joint deux bords opposés (23, 24) de la plaque (21 ), et en ce que les entretoises principales (31 -34) sont monobloc et s'étendent sur une longueur (L31 , L32, L33, L34) supérieure ou égale à 40% de la longueur (L21 ) de la plaque (21 ), les longueurs étant mesurées parallèlement à la direction principale (Y23-Y24).

2. - Organe intercalaire (20) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les entretoises principales (31 -34) s'étendent sur une longueur (L31 , L32, L33, L34) supérieure ou égale à 70% de la longueur (L21 ) de la plaque (21 ).

3. - Organe intercalaire (20) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les entretoises principales (31 -34) sont solidarisées à la plaque (21 ) au moyen de soudures par ultrasons réalisées dans le poly-aramide.

4. - Organe intercalaire (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des entretoises (31 -36) présentent des tronçons rectilignes dans la région des bords opposés (23, 24) de la plaque (21 ).

5.- Organe intercalaire (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la superficie occupée par les entretoises (31 -36) disposées sur une face (21 1 ) de la plaque (21 ) est inférieure ou égale à 50%, de préférence inférieure ou égale à 40%, de préférence encore inférieure ou égale à 35% de la superficie de ladite face (21 1 ) de la plaque (21 ).

6. - Organe intercalaire (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des entretoises (33, 34) sont disposées de façon à rendre étanches au fluide diélectrique les bords (25, 26) de la plaque (21 ) qui s'étendent parallèlement à la direction principale (Y23-Y24).

7. - Organe intercalaire (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs canaux principaux (51 -53).

8. - Organe intercalaire (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les entretoises principales (31 -36) définissant le ou chaque canal principal (51-53) présentent une forme de fonction périodique.

9. - Organe intercalaire (20) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la forme de fonction périodique est sélectionnée dans le groupe constitué de zigzags, de dents de scie, de sinusoïdes et de créneaux.

10. - Organe intercalaire (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (21 ) comporte un détrompeur (27), tel qu'une encoche, un orifice ou une saillie, pour discriminer les deux faces (21 1 , 212) de la plaque (21 ) lors de l'assemblage de l'organe intercalaire (20) dans la bobine (1 ) de transformateur.

1 1 . - Bobine (1 ) de transformateur de traction comprenant une succession d'enroulements (10) de conducteurs en spirales et plusieurs organes intercalaires (20) suivant l'une des revendications précédentes, deux enroulements (10) successifs étant isolés par au moins un organe intercalaire (20), les enroulements (10) et les organes intercalaires (20) étant superposés de façon alternée et coaxiale (Χ1 -ΧΊ ).

12. - Partie active de transformateur de traction comprenant au moins une bobine basse tension et au moins une bobine (1 ) haute tension superposées de façon coaxiale, la partie active étant caractérisée en ce qu'au moins une des bobines (1 ) basse tension et haute tension est selon la revendication 1 1 .

13. - Transformateur de traction, dans lequel le circuit magnétique entoure les bobines (1 ), le transformateur comprenant une partie active selon la revendication 12.