Brevet FR2150731A1 — publié le 19730413

L'invention concerne le découpage de tôles pour noyaux de transformateurs en plusieurs parties, destiné à permettre d'enfoncer d'un seul côté des pièces de noyau en tôle, ou des parties de noyaux complètes, dans le ou dans les enroulements de transformateurs, et concerne aussi les transformateurs fabriqués avec ces pièces. L'invention a pour but aussi de former les surfaces de séparation résiduelles de fente d'air ou entrefer entre les deux parties du noyau d'un plan. L'invention est caractérisée en ce que les surfaces de séparation résiduelles de fente d'air d'un plan s'étendent suivant une géométrie orthogonale par rapport à une surface équipotentielle de force magndtomotrice (tension) et d'intensité du champ du circuit magnétique. Par l'expression "fente d'air résiduelle", on doit comprendre la fente d'air inévitable qui se forme sur les surfaces de séparation des t8les (fente inévitable du point de vue mécanique et du point de vue de la technique de ltestam- page), en opposition avec la fente d'air libre (fente d'air de marche voulue) qui, comme on le sait, est disposée en donnant aux surfaces de séparation des dimensions appropriées, par exemple dans les appareils montés en série, éventuellement par l nmi nAge. Un autre mode de réalisation de l'invention se rapporte à une pièce de noyau en tôle en plusieurs parties mode , dans lequel la pièce de tôle de noyau se présente en forme de double T, en une ou plusieurs pièces intérieures dans un cadre ou une enveloppe extérieure. Les lignes de séparation, ou les "surfaces de séparation de la fente d'air résiduelle" se trouvent ici dans la forme en T double,entre la partie extérieure et la partie intérieure (entre le noyau et le cadre) de la t81e découpée. La description suivante et les dessins annexés représentent des modèles de coupes de tôle connues d'après la DIN 41 302 pour les séries de tôles de noyaux pour petits transformateurs, répétiteurs et selfs à noyau de fer, dessins dans lesquels - la figure 1 représente des séries de tôles pour noyaux 1A à 1F" ' - la figure 2, des séries de t8les de noyaux IIÂ à IID - la figure 3, des séries de tôles de noyaux IIIA à III)"' - les figures 4, 4,1 et 4,2 exposent lanouvelle géométrie et la nouvelle mécanique des aimants suivant 1' invention - les figures 5, 5,1, 5,2, 5,3, et 5,4 représentent les nouvelles formes de pièces suivant l'invention, ainsi que - les figures 6, 6,1, 6,2, 6,3, et 6,4, pendant que dans la dernière figure 7, (ou figure 1'), on montre l'application de l'invention à une pièce découpée en double T. Les formes proposées pour les séries de tôles de noyaux lA à 1F"' doivent être considérées, au point de vue de l'enfoncement des pièces de tôle de noyaux dans l'enroulement du transformateur, comme des solutions occasionnelles, plus ou moins incomplètes. Les-formes proposées pour les séries de tôles de noyaux IIA à IID ne sont pas suffisamment durables en raison des surfaces d'encliquetage et ont pour conséquence une augmentation de l'usure de l'outil. En outre, les noyaux ont tendance à ronfler. Les modèles doubles ont d'autres inconvénients comme les défauts inévitables de précision, le gauchissement des surfaces d'appui réciproque. Les formes proposées pour les séries de tôles de noyaux IIIA à IIID" sont très sujettes à problèmes et à compromis. On n'est pas assuré de maitriser durablement au point de vue mécanique la " superprécision"que l'on doit exiger de ces mini-mécanismes. On doit s'attendre à une augmentation de l'usure de l'outil aux points mécaniquement délicats. Dans la réalisation de ces formes de découpes en plusieurs pièces, il doit s'agir d'une part de maintenir aussi faible que possible l'effet nocif de la "fente d'air résiduelle" provoquée par la géométrie, et d'autre part d'orienter le mieux possible obligatoirement la fixation des deux pièces de t81e du noyau d'un plan (de les orienter réciproquement de force), pour rendre ainsi dans la plus large mesure possible égales les propriétés magnétiques du circuit magnétique "divisé" et les propriétés du noyau classique à empilage alternant. La justification du nouveau procédé suivant l'invention ou des nouvelles méthodes et formes suivant l'invention ressort de l'examen des équations de détermination du circuit magnétique Dans ces équations, on a NMK la force magnétomotrice (tension) la moyenne arithmétique du flux d'une spire, correspondant au flux d'induction magnétique flux d'ensemble de la bobine = nombre de lignes de forces n nombre de spires de la bobine résistance magnétique 1m longueur du trajet magnétique moyen du ferromagnétisme F surface de la section effective moyenne du circuit ma magnétique S = S eff., longueur effective magnétique de la fente d'air résiduelle dans le sens du flux 0 = perméabilité absolue du vide = constante d'induction r = perméabilité relative de la matière ferromagnétique I valeur effective du courant de magnétisation ; L inductivité de la bobine à exciter ; #L inductance de la bobine à exciter ; coefficient de fuite ferromagnétique H intensité du champ magnétique ce qui donne 1.MMK = # .Rm= #/- n .Rm = 0.I.n ; L'équation 7 permet de se rendre compte très nettement de l'influence extraordinaire de la "fente d'air résiduelle" sur la valeur de la résistance magnétique du circuit dans les composantes de la résistance magnétique à laquelle celle-ci donne naissance, le facteur kr r se présente par rapport à la composante ferromagnétique avec une grandeur scalaire de 5.-6.7.103 en face du facteur "1" de la partie constituante ferromagnétique de la longueur moyenne du trajet magnétique. La technique du noyau en bande connu le confirme également. On se rend compte de ce que pour SO suivant O, on obtient les conditions d'un circuit magnétique sans fente d'air, et qu'à part la valeur "F" donnée, seules et et "lm" restent les valeurs déterminantes de la résistance magnétique. Ainsi, "L" et "tJL", les réactances transverses résultantes du circuit électrique afférent, se rapprochent des valeurs que l'on peut obtenir dans un circuit magnétique sans fente dtair, comme on y arrive avec un noyau en bande dans une mesure élevée par rapport à n'importe quel noyau empilé. De là résulte l'idée de base de l'invention. L'effectivité magnétique de la fente d'air géométrique, et par conséquence la diminution décisive de la perméance du circuit magnétique géométrique en plusieurs parties, par rapport au circuit sans fente d'air en une seule pièce, tend vers "0", quand les surfaces de séparation des deux parties de noyau en tôle,-égales ou inégales, d'un p~-n, sont posées orthogonalement par rapport à une surface équipotentielle de tension magnétomotrice, et en même temps à l'intensité du champ magnétique, donc dans la direction du cours du flux magnétique. C'est seulement pour cet unique cas géométrique possible que la valeur de la fente d'air effective tend vers 110"* On peut voir cette géométrie détaillée dans les figures 4, 4,1 et 4,2. Les figures 5, 5,1, 5,2, 5,3, et 5,4, montrent les nouvelles formes de découpage suivant l'invention. Celle-ci peut Outre appliquée sur toutes les séries de pièces "classiques" suivant la DIN 41302, donc pour les séries M, MI, DI, UI, UT, 3U1, de découpage. Enfin, la géométrie de découpage proposée offre, comme on peut le voir par exemple d'après la figure 5,4 du dessin 5, la possibilité d'effectuer l'estampage de façon telle que les chutes à l'estampage soient faibles. Dans le découpage 5,4, seule la partie libre qui se trouve entre les pièces rassemblées constitue une chute. Si l'on désigne généralement les deux parties de noyau par 1 et,2, et la coupe de séparation par 3 comme "surface de séparation à fente d'air résiduelle", on pourra alors désigner. d'autres coupes de séparation sur les ailes par 3' et 3", et ainsi de suite de sorte qu'il apparaitra d'autres modèles d'exécution concrets. On peut le voir dans les figures 6,1, 6,2, 6,3, et 6,4 de la planche 6. Les languettes des pièces de noyaux en tôle en forme de U et en forme de M des figures 6,1, 6,2 et 6,4 de la planche 6 sont fortement arrondies en haut et en bas, pendant que dans l'exemple de la figure 6,3 ces languettes s'étendent à angles vifs en haut et en bas. Les deux parties 1 et 2 de tôles de noyaux, formant les moitiés à double face,sont enfoncées dans l'enroulement de transformateur de façon telle qu'elles se bloquent en même temps mécaniquement. (faibles tolérances, coupes à dépouille). Si l'on part de l'équation 8 suivant Maxwell qui est valable pour le choc d'équipotentialité du champ magnétique, on peut tirer de l'équation dérivée 9, l'effet de la "fente d'air résiduelle?? sur un point de choc quelconque de la perméabilité magnétique, quand l'angle "o" tend vers 900 . On peut aussi en inférer que la tension magnétomotrice participante peut être réduite, en des points de chocs de ce genre, d'un facteur cos2o , ou aussi que l'intensité du champ magnétique s'exerce seulement orthogonalement par rapport à la surface de séparation. Comme en outre la perméabilité magnétique relative de la matière ferromagnétique se monte seulement, dans la direction de magnétisation perpendiculaire à la "texture" (perpendiculaire à la direction de laminage de la tôle) suivant le taux de siliciation et suivant le procédé de laminage, à 1/3 à 1/5 de la valeur qu'elle prend dans le sens de la "texture", on peut obtenir une diminution de la résistance magnétique participante de la section de l'armature à un tiers à un cinquième de la valeur qu'elle aurait autrement, au moyen d'un décalage de la surface de séparation de la "fente d'air résiduelle" dans le sens géoMétrique longitudinal de l'armature et de la rotation, ainsi obtenue, de la direction de l'intensité principale du champ, de 900 dans la "direction de la texture" des fibres dans l'armature. Dans la figure 7 (ou dans la figure 1' ou 7' partiellement) on peut se rendre compte d'un autre détail de cette considération de l'objet de l'invention. La pièce de tôle de noyau est constituée d'une enveloppe extérieure 2 et d'un noyau 1. Le noyau intérieur 1 pénètre par ses deux extrémités 1' et 1" établies en forme ae champignon, largement dans l'armature 2a, 2b du cadre fermé 2, les flancs intérieurs la, lb étant établis sous la forme de barrettes limites pour le cuivre de l'enroulement du transformateur etc., de sorte que l'on peut supprimer ici les pièces spéciales d'enroulement lors du bobinage.Les fentes d'air résiduelles 3, 3' entre les extrémités 1', 1" de la partie intérieure 1 et l'armature 2a, 2b, et 2a', 2b' du cadre extérieur 2 peuvent être en forme de cercle, de parabole, d'hyperbole ou aussi présenter une courbure quelconque telle que logarithmique, exponentielle ou autre, et peuvent aussi être rectilignes, comme le montrent les lignes tiretées du dessin. Les arêtes extérieures du cadre en tôle 2 seront sinusofdales méandriques, demi-circulaires, ou trapé zoSdales, ou présenteront des ondulations analogues, pour que l'on obtienne un meilleur refroidissement (air, huile) et seront formées, découpées ou estampées. De cette façon, on peut, en choisissant, pour les contours, un tracé sinusogdal, augmenter du double la surface active par rapport à un contour à coupe unie (contour plan). L'effet thermique (amélioration de l'adaptation à un agent refroidissant, tel que l'air, lthuile etc... est avec ce type d'exécution plus grand qu'avec tous les types d'exécution connus jusqu'ici, dans lesquels on faisait appel à des gaines, à des tôles de dérivation etc., de formes spéciales. Ce dernier type d'exécution de l'invention comprend aussi toutes les formes des planches 1 à 6 de cette demande dont on a parlé. Par 4, 4', on désigne des trous ou évidements qui sont pratiqués dans le milieu neutre de la pièce. On n'a pas besoin de maintenir, comme il est courant, à 1 : 2 le rapport entre la section transversale de l'enveloppe et celle de l'armature, mais au contraire on peut choisir suivant le type d'exécution de l'invention d'autres rapports comme on peut s'en rendre compte déjà d'après les figures de la planche 7 (ou 1' ou 7'). L'invention s'applique à tous les appareils dispositifs- ferromagnétiques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à "exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invent ion. REVENDICATIONS 1 / Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties, pour transformateurs, convertisseurs, transmetteurs, selfs à noyau de fer, amplificateurs, et autres appareils ferromagnétiques, noyau caractérisé en ce que la "surface de séparation des fentes d'air résiduelles" (3, 3', 3" ...) qui se forment entre les deux parties du noyau en tôle sont disposées d'une façon géométriquement orthogoçale par rapport à une surface équipotentielle de force magnétomotrice (tension) et d'intensité du champ du circuit magnétique. 20/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes des séparations des fentes d'air de l'aile (3', 3" planche 6) et celles de l'armature (3', 3" planche 6,1), seules, ou avec les lignes de séparation des fentes d'air du noyau (3, figure 4 et 6) sont orientées sur l'orthogonale géométrique d'une surface équipotentielle de l'intensité du champ magnétique. 30/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant la revendication 1, constitué d'un cadre extérieur fermé et d'une pièce formant noyau intérieur qui présente de préférence la forme d'un 2 double, caractérisé en ce que la partie intérieure du noyau (1) qui a sensiblement la forme d'un champignon, pénètre largement dans la partie formant armature (2a, 2b) do cadre (2), de sorte que les "surfaces de séparation de fentes d'air résiduelles (3, 3') se forment entre l'armature et le noyau, lignes qui s'étendent de préférence orthogonalement par rapport à une surface équipotentielle de force magnétomotrice (tension) et d'intensité du champ magnétique du circuit magnétique. 40/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le trajet du flux magnétique est contraint dans une large mesure dans le sens de la texture en traversant les surfaces de séparation des fentes d'air résiduelles (3, 3') et la zone adjacente pour autant que ce soit à l'intérieur de l'armature qui s'étend géométriquement perpendiculairement à la direction de la texture (2a, 2b). 5 / Noyau en pièces de t8fe -8n- lusieurs parties suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les surfaces de séparation (D,3') de la fente d'air résiduelle dépassent au-delà des bords limites du noyau intérieur. 60/ Noyau suivant l'une des revendications 1 à 5 pour transformateurs, convertisseurs, transmetteurs, selfs à noyau de fer, amplificateurs, ou autres appareils ferromagnétiques, caractérisé en ce que les -rtes extérieures des tôles de cadre (2) ou aussi du noyau (1) sont découpées totalement ou partiellement de façon telle qutil se forme un agrandissement de la surface qui s'étend de préférence, totalement ou partiellement en forme sinusoldale, méandrique, demi-circulaire, trapézoidale ou en une forme agrandissante analogue, en vue d'améliorer le refroidissement. 70/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces intérieures (la, lb) du noyau (1) servent de barrettes limites pour l'enroulement en cuivre. 80/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le noyau intérieur (i) portant ltenroulement de bobine est orienté par force automatiquement, et est solidement bloqué dans le cadre, grtce à la forme en champignon de ses extrémités (1', 1") qui ee poursuit dans la forme des flancs intérieurs (la, lob). 90/ Noyau en pièces de t81e en plusieurs parties suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac tériséen ce que les parties en tôle du noyau (1, 2) sont maintenues seules ou ensemble, mécaniquement dans l'enroulement du transformateur ou de l'appareil ferromagnétique sur les surfaces de séparation (3) de la fente d'air résiduelle seule ou/et sur les surfaces de séparation des fentes d'air résiduelles (3',3"...). 100/ Noyau en pièces de t81e en plusieurs parties suivant la revendications 9, caractérisé en ce que l'on fait usage, dans la fixation mécanique, de la faible dépouille (en coin, prismatique, en arc de cercle ou autre) des pièces en tôle des noyaux (1,2) aux points de rencontre (ou aussi dans le sens de la longueur du noyau ou dans le sens du flux). 110/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs pièces suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les tôles sont posées géométriquement de façon telle que les deux parties afférentes à un plan du noyau (1,2 figure 5, 4) peuvent être fabriquées par estampage, avec une faible chut., et en même temps. 120/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des évidements (4,4') nécessaires pour la fixation des pièces d'armature du noyau fini complet, sont pratiqués pour des vis, des rivets ou autres dans la zone, neutre magnétiquement, du noyau et/ou de l'armature. 130/ Noyau en pièces de t81e en plusieurs parties suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que , dans les fentes d'air, on dispose des lignes de séparation (3, et/ou 3', 3"), des gorges symétriques par rapport aux lignes de séparation, des saillies, des évidements et autres, qui servent à une fixation longitudinale supplémentaire des deux pièces de tôle de noyau (1, 2). 140/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les joues de l'armature et/ou la joue de retour, et/ou la section de l'enveloppe reçoivent des dimensions différentes de la valeur de la moitié du noyau ou/et des languettes. 150/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les "surfaces de séparation des fentes d'air résiduelles" (3,3') sont faites en arcs de cercle, d'hyperbole, de parabole ou autres ou aussi reçoivent des courbures logarithmiques,exponentiellr ou autres, de sorte que ces surfaces de séparation de fentes d'air résiduelles deviennent des surfaces courbes unidimensionnelles. 160/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces de séparation (3,3') des fentes d'air résiduelles sont disposées dans le milieu géométrique de la largeur de l'armature. 170/ Noyau en pièces de tôle en plusieurs parties suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les lignes de séparation (3, 3') des fentes d'air résiduelles sont orthogonales par rapport à une surface équipotentielle de l'intensité du champ de l'armature magnétique et que les surfaces de séparation de ces fentes d'air résiduelles deviennent des plans.