Brevet FR2008780A1 — publié le 19700123

La présente invention est relative aux transfoimateurs et, plus particulièrement, à un transformateur perfectionné susceptible de traiter des impulsions de haute énergie soit, par exemple, des impulsions de 50.000 ampères, ou davantage, sous 5 à 10 kV. 5 Pour certaines applications, on peut souhaiter disposer d'un transformateur qui soit susceptible de traiter des impulsions de très haute énergie. Une telle application est en rapport avec l'équipement de formage magnétique montré et décrit dans le brevet d'in vention des Etats-Unis F0 2.976.907. L'équipement de formage magnéto tique utilise line batterie de condensateurs procurant des impulsions de courant électrique de forte intensité qui traversent une bobine conductrice de formage, engendrant ainsi un champ magnétique puisé de forte intensité. Le champ magnétique engendre un courant induit dans une pièce à usiner conductrice disposée dans ce champ magnéti-15 que puisé. Ce courant induit réagit à son tour avec le champ magnétique pour produire une force agissant sur la pièce à usiner. Si la force est suffisamment importante, il résulte une déformation de la pièce à usiner. La forme résultant de cette opération de déformation dépend de la configuration du champ magnétique et de la position de 20 la pièce à usiner par rapport à ce champ. Des impulsions de courant répétées peuvent être appliquées à la bobine conductrice de formage, engendrant ainsi une série d'impulsions de déformation qui sont appliquées à la pièce à usiner. Pour certaines configurations des pièces devant être formées 25 au moyen de l'équipement de formage magnétique, il peut être souhaitable d'utiliser une bobine de formage nécessitant une tension relativement faible et une intensité relativement importante. Toutefois, pour des raisons pratiques, les machines de formage magnétique commercialisées sont normalement construites pour fonctionner sous une 50 tension relativement élevée, 8,3 kV par exemple, et la batterie de condensateurs est constituée par des capacités qui sont, par exemple des multiples de 360 pJ1. Ainsi, pour certaines dimensions des bobines de formage., les impédances de la batterie de condensateurs de la machine de formage magnétique et de la bobine de formage peuvent 35 n'être que médiocrement adaptées. Il y aura donc intérêt à utiliser un transformateur de couplage permettant une meilleure adaptation des impédances et qui soit susceptible do traiter les fortes impulsions de courant considérées. Un certain nombre de difficultés se présentent dans la réaligar-40 tion de transformateurs susceptibles de traiter de très fortes in- 69 15893 2008780 tensités tels que ceux qui peuvent être employés en liaison avec m appareil de formage magnétique tel que, décrit ci-dessus. Des niveaux élevés de l'intensité engendrent, à l'intérieur de l'ensemble de la bobine, des forces importantes qui peuvent tendre à provoquer 5 un déplacement relatif entre les différentes parties de cette.bobine, Un tel déplacement peut provoquer une usure excessive de l'isolement électrique dans certains emplacements critiques. Le fonctionnement sous forte intensité tend également à engendrer une très forte chaleur susceptible de provoquer la rupture des éléments structu-10 rels de l'ensemble de la bobine ou une rupture de l'isolemeat dans celle-ci. Les tensions nécessaires pour engendrer les niveaux de puissance désirés peuvent provoquer des différences de potentiel importantes entre les différentes parties de l'ensemble du transformateur. Ceci accroît le danger d'une rupture diélectrique ou claqua-15 ge à travers l'isolement électrique en différents points dans le transformateur. D'autre,part» la nécessité de maintenir le transformateur dans les limites d'encombrement pratiques peut imposer pour celui-ci certaines, limitations dimensionnelles physiques. Enfin, malgré les soins apportés à la construction du transformateur, cer-20 taines de ses parties ont une tendance naturelle à s'user, voire même à se rompree Le remplacement complet d'un transformateur étant coûteux, il est désirable que celui-ci puisse être facilement démonté de manière à ce que ses parties constituantes puissent être remplacées ou réparées. 25 L'un des objets de la présente invention est la réalisation.d' un transformateur perfectionné susceptible d'être traversé par des impulsions d® forte, intensité. ITa autre objet de l'invention est la réalisation d'un transformateur susceptible de traiter des impulsions de forte intensité se 30 répétant à des cadences relativement rapides» Encore un autre objet de l'invention est la réalisation d'un transformateur susceptible de traiter des impulsions de forte intensité et dans lequel l'usure et/ou la rupture des parties internes soient réduites 'au minimum» 3.5 Un nouvel objet de l'invention est la réalisation d'un trans formateur susceptible de traiter des impulsions de forte intensité dont lfencombrement soit réduit au minimum0 C'est encore tsa objet de l'iisTeation que de réaliser un transformateur d'impulsions de forte intensité perfectionné qui soit sus-40 ceptible d'être facilement démonté en vue de la réparation ou du 69 15893 3 2008780 remplacement de ses parties constitutives. D'autres objets de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre faite avec référence au dessin annexé qui est line vue en perspective éclatée et en partie schématique d'un 5 transformateur construit selon cette invention. D'une manière très générale, le transformateur dè l'invention comporte une praaière paire d'enroulements 11 et 12 de forme pratiquement plate, et une seconde paire d'enroulements 13 et 14 également de forme pratiquement plate. Des moyens d'isolement 16 et 17 10 sont prévus pour maintenir la séparation électrique entre les enroulements. les enroulements et les moyens d'isolement sont mutuellement adjacents et parallèles entre eux, chacun des enroulements de la seconde paire étant disposé suffisamment près de l'un des enroulements de la première paire pour être couplé iaductivement avec ■|5 celui-ci. Les enroulements et les moyens d'isolement sont mutuellement assujettis de manière à obtenir un assemblage en sandwich. En se référant maintenant particulièrement au dessin, celui-ci représente une réalisation particulière de l'intention sous la forme d'un transformateur destiné à être utilisé avec un appareil de 20 formage magnétique. Le transformateur fonctionne en vue de permettre une adaptation d'impédances convenable entre une bobine de formage 18 et une source d'énergie constituée par une batterie de condensateurs appropriée, non représentée. La source d'énergie fournit des impulsions de haute énergie à une borne 19 d*entrée des impulsl". 25 ons. La bobine de formage 18 est une bobine du type à expansion, c'est-à-dire une bobine qui engendre une force s'exerçant radiale-ment en direction de l'extérieur lorsqu'elle est excitée. L'enroulement ou les enroulements (non représentés) de la bobine sont disposés à l'intérieur d'un capot 21 réalisé avec un matériau isolant tel 30 qu'un polycarbonate. L'enroulement de la bobine de formage peut être constitué par une spire unique en alliage cuivre-b érillium dans la surface de laquelle est noyé un tube d'eau de refroidissement en acier inoxydable et qui est enfermée dans une enveloppe en fibre de verre ou en résine époxyde. En utilisant une telle construction, des 35 bobines peuvent être construites en vue de fo&èiionner à des cadences susceptibles d'atteindre 6 cycles par minute. Deux plaques.conductrices. 22 et 23 connectées respectivement au côté sous tension et au côté à la terre de la bobine de formage et dépendant de cette .bobine sont maintenues contre une ;feuille. -de séparation,isolante 24 40 par une paire de barres de serrage boulonnées 26. Les "bords inféri- 9.15893 -4 2Q08780 eurs des plaques 22 et 23 comportent un rebord pour le montage de la "bobine sur le sommet du transformateur décrit ci-dessous. Les enroulements 11 et 12 du transformateur sont parcourus par la forte intensité qui est fournie à la bobine 18. Cnacun des enrou-5 lements 11 et 12a une forme pratiquement plate et est constitué par une plaque annulaire présentant des appendices qui seront décrits par la suite. 1*enroulement 11 comporte une partie plate 27 qui s'étend vers l'extérieur de celui-ci et qui présente à son extrémité un rebord venant s'assembler avec le rebord présenté par 10 la plaque 22 de la bobine. De la même "manière, l'enroulement 12 comporte une partie plate 28 qui s'étend vers l'extérieur de celui-ci et qui présente à son extrémité extérieure un rebord venant s'as sembler avec le rebord présenté par la plaque 23 de la bobine 18. Les deux parties plates 27 et 28 sont des plaques parallèles rela-"15 tivement larges réduisant au minimum l'inductance de fuite sur le côté secondaire du transformateur. De manière à réduire encore l'inductance de fuite, une plaque de cuivre 29 recouverte d'une couche extérieure isolante 31 est disposée entre les parties plates 27 et 28. La plaque de cuivre est électriquement flottante par rapport 20 aux potentiels des parties plates 27 et 28. Une autre paire d'appendices ou parties plates 32 et 33 s'étendent vers l'extérieur à partir des enroulements 11 et 12, respectivement. Chacune des parties plates 32 et 33 a une forme générale en L et se raccorde à la partie restante de l'enroulement avec 25 lequel elle est associée en formant un angle de 90° environ, à la périphérie de cet enroulement, avec les parties plates respectives 27 et 28. Les parties plates 32 et 33 sont parallèles entre elles et sont reliées électriquement par une plaque de cuivre 34 d'épaisseur appropriées, Ls ensemble des plaques 32, 53 et 34 est relié é-30 lectriquement à la terre par des moyens appropriés. Une fente 36 pratiquée dans l'enroulement 11 s3étend d'un côté à l'autre de la partie plate annulaire de cet enroulemmt et sépare électriquement la partie plate^de la partie plate 32. Une plaque 37» en cuivre ou autre matériau conducteur approprié» est fixée à 35 la surface plate de l'enroulement 11 au voisinage de la fente 36-et sur le côté de celle-ci se présentant vers la partie- .platê 32. La plaque 37 est disposée du même côté de l'enroulement 11 que la plaque 34 et a approximativement la même épaisseur : que celle-ci, de telle sorte qu'elle puisse venir ën contact avec la surface lui fai 40 sant vis-à-vis de l'enroulement 12 qui' se présente entre-les'par- 69 15893 2008780 ties plates 28 et 33 de celui-ci. Une fente 38 est pratiquée dans 1* enroulement 12, au voisinage de sa partie plate 28 et sur le côté de celle-ci qui se présente à l'opposé de sa partie plate 33» Une plaque 39 similaire à la plaque 5 37 est fixée à la surface de l'enroulement 12 faisant face à l'enroulement 11 et est disposée au voisinage de la fente 38 sur le côté de celle-ci qui est opposé à la partie plate 28. l'épaisseur de la plaque 39 est approximativement égale à celle des plaques 34 et 37 de telle sorte que cette plaque puisse venir en contact avec la 10 surface lui faisant vis-à-vis de l'enroulement 11. Il résulte de la disposition précitée que les parties plates 33 et 28 de l'enroulement 12 sont à un potentiel voisin de celui de la terre tandis que la plaque 39 est à un potentiel supérieur voisin de celui de la partie plate 27 de l'enroulement 11. la plaque 37 de l'enroulemoat 15 11 et la partie plate 32 de celui-ci sont à un potentiel voisin de celui de la terre tandis que la partie plate 27 de cet enroulement 11 est à un potentiel supérieur. Ainsi, la différence de potentiel entre les parties plates 27 et 28 est appliquée entre les plaques 22 et 23 de l'ensemble de bobine 18. les enroulements 11 et 12 sont 20 connectés électriquement en parallèle. les épaisseurs des plaques 34» 37 et 39 sont suffisantes pour espacer les enroulements 11 et 12 l'uni.de l'autre d'une distance permettant de recevoir la garniture intérieure de cuivre, sa couche isolante, deux feuilles isolantes additionnelles 41 et 42 espacées 25 sur les côtés opposés de la garniture intérieure en cuivre 29 et un dissipateur thermique 43» le dissipateur thermique 43 est réalisé avec un matériau conducteur de la chaleur approprié, tel que le cuivre, et comporte un pasaage intérieur 44 à travers lequel un fluide refroidisseur, tel que de l'eau, peut circuler pour évacuer 30 la chaleur du transformateur pendant que les impulsions se répètent,. En variante, on peut utiliser un enroulement secondaire plus épais dans lequel est ménagé un passage pour le fluide refroidisseur. le transformateur représenté est un autotrensformateur, mais on comprendra que l'invention n'est pas limitée à "une telle réalisa» 35 tion et s'applique également à dlautres types de transformateursc Toutefois, la réalisation particulière représentée permet une utilisation rationnelle du matériel, un bon rendement électrique et la mise à la terre d'un point du circuit secon.da±re0 les enroulements primaires 13 et 14 sont pratiquement plats et comportent chacun 40 trois spires. Dans la construction en autotransformateur, les en 69 15893 2008780 roulements secondaires 11 et 12, respectivement, constituent les quatrièmes spires des enroulements primaires, ainsi qu'il est bien connu dans l'art. L'extrémité intérieure 46 de l'enroulement primaire en spirale 13 est connectée à une région 47, voisine de la partie 5 plate 27 de 1'enroulement secondaire 11, au moyen d'une plaque conductrice 4b d'épaisseur appropriée. De la même manière, l'extrémité intérieure 49 de l'enroulement primaire en spirale 14 est connecté électriquement à la région 51 de l'enroulement secondaire 12 au moyen d'une plaque conductrice 52 d'épaisseur appropriée. L'extrémité 10 de l'enroulement en spirale 13 opposée à l'extrémité 46 eat pourvue d'une partie plate 53. s'étendant vers l'extérieur à partir de cet enroulement et qui présente un rebord de connexion approprié 54» Une partie plate similaire 56 présentant im rebord de connexion 57 s"1 étend à partir de l'extrémité de l'enroulement en spirale 14 op-15 posée à l'extrémité 49 de celui-ci. Les deux rebords 54 et -57 sont connectés électriquement à la borne d'entrée des impulsions 19 ainsi qu'il es't montré schématiquement. Dana la réalisation montrée, l'isolemeat 16 entre les enroulements 11 'et 13 est constitué par trois feuilles d'un matériau appro-20 prié tel qu'un polyester. L'isolement 17 disposé entre les enroulements 12 et 14 est constitué par trois feuilles d'ion matériau similaire. Une feuille 58 d'un matériau isolant tel que du caoutchouc synthétique Néoprène est disposée contre l'enroulement 13 sur le côté de celui-ci qui est opposé à celui recevant l'isolement 16. De la 25 mêas manière, une feuille 59 d?un matériau isolant tel que du caoutchouc synthétique ïïeoprène, est disposée contre l'enroulement 14 sur le côté de caLui-ei qui est opposé.à celui recevant l'isolement 17» Une paire de plaques de pression 61 et 62 constituent les éléments extérieurs de l'assemblage en sandwich du transformateur. Les 3° plaques de pression 61 et 62 sont assujetties l'un© à l'autre par des boulons 63 qui traversent des ouvertures pratiquées dans ces plaques de pression et d'isolement et convenablement alignées, la fixation de ces boulons s'effectuant au moyen de rondelles 64 et d8 écrous 66. Les boulons 63 sont pourvus de manchons 67 réalisés avec 35 un matériau isolant approprié tel qus une polyoléfine. Une plaque 68 receouvrant les boulons est fixée par des vis 69 à la surface intérieure de la plaque de pression 61 et son épaisseur est approximativement égale à lf épaisseur combinée de 18 enroulement 13 et de la feuille 58. Une plaque similaire 71 recouvrant les boulons est fixée 40 par des vis 72 à. la surface intérieure de la plaque de pression 62» 69 15893 7 2008780 L'épaisseur de la plaque 72 est approximativement égale à l'épaisseur combinée de l'enroulement 14 et de la feuille 59. Les régions 46 et 49 sont pressées l'une contre l'autre au moyen de plaques de serrage 73 et 74» de boulons 76, de rondelles 77 et d'écrous 78. 5 Afin de ne pas compliquer outre mesure le dessin, les différents boulons, rondelles et écrous utilisés dans les liaisons qui ont été décrites ne sont pas tous représentés. Des ouvertures rectangulaires appropriées 79 sont pratiquées dans les différentes feuilles isolantes en vue de recevoir les plaques rectangulaires 73 et 74» ainsi 10 que les plaques 48 et 52. Du point de vue électrique, le transformateur représenté comprend une paire d'autotransformateurs montés en parallèle, leurs enroulements primaires et secondaires étant mutuellement connectés en parallèle. De cette manière, les enroulements primaires, compre-15 nant les enroulements 13 et 11 et les enroulements 14 et 12, sont connectés en parallèle l'un par rapport à l'autre entre la borne 19 d'entrée des impulsions et la terre. Par ailleurs, l'enroulement 13 est connecté en parallèle avec l'enroulement 14 par l'intermédiaire des plaques 48 et 52. Les enroulements secondaires des autotransfor-20 mateurs parallèles comprennent les enroulements 11 et 12 qui sont connectés en parallèle l'un par rapport à l'autre entre la plaque 22 de la bobine 18 et la terre à laquelle la plaque 23 de cette bobine 18 est également connectée par l'intermédiaire de la partie pla te 28 de l'enroulement 12. 25 Le mode de construction en sandwich, et l'assemblage au moyen de boulons permet un démontage fa,cile de l'ensemble pour la réparation ou le remplacement de ses différentes parties. La minceur des couches isolantes permet un couplage inductif serré entre les enroulements. La construction boulonnée permet de précontraindre l'assem-30 blage en sandwich et d'empêcher tout déplacement susceptible d'être provoqué par les forces importantes en présence pendant que se manifestent les impulsions de forte intensité. L'évacuation de la chaleur s'effectue directement à partir de la source initiale de la chaleur engendrée dans le transformateur. On réduit ainsi le risque de rup-35 ture des différents éléments constitutifs du transformateur ainsi que le risque de claquage des différentes couches isolantes par. suite de températures excessives. La configuration aplatie de l'enroulement lui permet d'être traversé par"une forte intensité ou de réduire la densité de courant en vue d'accroître la"puissance et/ou 40 de diminuer le risque de rupture par suite de la réduction des con 69 15393 8 2 0087 8 G traintes thermiques® Etant donné que les enroulements sont pratiquement plats et maintenus relativement proches l'un de l'autre tout en présentant une surface importante, on obtient un bon transfert thermique entre ces enroulements et le dissipateur thermique en mê-5 me taaps qu'un couplage magnétique serré réduisant à un minimum les pertes magnétiques. On se rendra compte par ce qui précède, que l'invention permet de réaliser un transformateur perfectionné apte à traiter un. courant instantané important. Un tel transformateur est susceptible de résis 10 ter à des forces très importantes, à une faible inductance de fuite" et ne nécessite qu'un faible courant magnétisant. Des moyens de refroidissement sont aisément disposés en vue de permettre l'utilisation du transformateur à une cadence élevée de répétition des impulsions. La réalisation particulière montrée de l'invention, utili-15 sant un montage en autotransformateur, permet d'éviter le croisement des conducteurs dans les connexions' du transformateur. Différentes modifications de l'invention, en sus de celles pré-sentemait montrées et décrites, apparaîtront aux techniciens à la lecture de la description qui précède et du dessin annexé. De telles 20 modifications sont considérées comme tombant dans le cadre des revendications annexées. 9 15893 9 2008780 REVENDICATIONS 1°) Un transformateur comprenant : une première paire d'enroulements de forme pratiquement plate ; une seconde paire d'enroulements de forme pratiquement plate ; des moyens d'isolement pour 5 maintenir une'séparation électrique entre ladite première paire d' enroulements et ladite seconde paire d'enroulements, lesdits enroulements et lesdits moyens d'isolement étant réciproquement adjacents et parallèles entre eux, chacun desdits enroulaient s de la seconde paire étant disposé suffisamment près de l'un desdits enroulements 10 de la première paire pour être couplé induetivement avec celui-ci ; et des moyens pour assujettir entre eux lesdits enroulements des . pranière et seconde paires et lesdits moyens d'isolement de manière à constituer un assemblage en sandwich. 2°) Un transformateur selon la revendication 1 comportant des 15 moyens pour la connexion électrique en parallèle desdits enroulements de la première paire et des moyens pour la connexion électrique en parallèle desdits enroulements de la seconde paire. 3°) Un transformateur selon la revendication 2 comportant des moyens pour la connexion électrique de chacun desdits enroulements 20 de la première paire en série avec l'un desdits enroulements de la seconde paire afin de constituer un auto transformateur. 4-°) Un transformateur selon l'une quelconque des revendicatima 1 à 3 comportant des moyens pour maintenir espacés lesdits enroule-aents de la seconde paire et des moyens disposés entre lesdits en-25 roulements de cette seconde paire en vue d'évacuer la chaleur à partir de ceux-ci. 5°) Un transformateur selon l'une quelconque des revendicatxcsas 1 à 4. dans lequel chacun desdits enroulements de la seconde paire présente une partie-plate comportant une plaquette de connexion, et 30 dans lequel une plaque conductrice électriquement flottante est disposée entre lesdites parties plates en vue de réduire à un minimum la fuite de flux magnétique entre elles. 6°) Un transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel chacun desdits enroulanents de la seconde paire 35 est constitué par une plaque annulaire, chacune de ces plaques annu- -laires présentant une partie plate s!étendant vers 1*extérieur de la plaque et comportant une plaquette de raccordement électrique, chacune deç plaques annulaires étant traversée par une fente conti-guë à ladite partie plate de cette plaque, lesdits enroulements é-40 tant disposés de telle sorte que lesdites parties plates soient alignées et que lesdites fentes ne le soient pas, une paire de blocs conducteurs respectivement contigus auxdites fentes reliant électriquement en parallèle lesdits enroulements de la seconde paire.