Brevet FR2272471A1 — publié le 19751219

La présente invention concerne des élémentsdecircuitsma- gnétiques de configuration étoilée, et, plus particulièrement, leur application à des transformateurs polyphasés. De façon classique, dansl'art antérieur, les transformateurs polyphasés, et, plus particulièrement les transformateurs triphasés, sont du type en E, c'est-à-dire à trois noyaux dans un même plan, ou à cinq colonnes, c est-à-dire à cinq noyaux dans un même plan, ou encore du type cuirassé. En se référant aux ouvrages théoriques classiques (voir notamment le "cours de machines élec triques C.N.A.M. de M. Bellier ou "Eleetrotechnique générale", Editions scientifiques Riber, tome 3, de A.Busson) sur les transformateurs polyphasés, on note que ces trois types de transformateurs présentent l'inconvénient d'avoir un circuit magnétique dissymétrique du fait que la longueur de culasse à parcourir n'est pas la même pour aller d'un noyau extrême au noyau central ou à l'autre noyau extreAme. Divers moyens sont utilisés pour pallier cette dissymétrie, néanmoins, le circuit magnétique de ces dispositifs reste dissymétrique et il est facile à vide de constater que les courants primaires sont différents pour les trois phases et que les puissances absorbées par ces phases sont encore plus différentes.Dans ces mêmes ouvrages théoriques classiques sur les transformateurs polyphasés, on notera qu'il existe pratiquement toujours un bref paragraphe d'introduction dans lequel il est explosé qu'une disposition de transformateur en étoile serait la disposition idéale pour avoir un transformateur triphasé symétrique mais, qu'une telle disposition ne peut être adoptée, du fait qu'elle exigerait des Joints dans la partie centrale du circuit magnétique formant ltetoile, joints qui seraient difficiles à serrer et qui provoqueraient des pertes importantes dans le circuit magnétique. Un objet principal de la présente invention est de prévoir un élément de circuit magnétique en étoile ne présentant pas de joint au centre de étoile. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication d'un tel élément de circuit magnétique en étole. Un autre objet de la présente invention est de prévoir l'application d'un tel élément de circuit magnétique en étoile à un transformateur polyphasé. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel transformateur polyphasé dans lequel le montage des enroulements électriques puisse être effectué de façon simple. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un élément de circuit magnétique en forme d'étoile dans lequel la matière constitutive des différentes branches de l'étoile est continue. Selon la présente invention, cet élément de circuit magnétique en forme d'étoile peut être obtenu en enroulant une bande de tôle magnétique pour former un circuit magnétique torique puis en déformant ce circuit torique au moyen d'un dispositif de pression agissant en plusieurs points de façon convergente, ces différents points étant régulièrement répartis angulairement.En outre, la présente invention prévoit d'utiliser cet élément de circuit magnétique comme partie d'un transformateur électrique polyphasé ou d'un transformateur de nombre de phases en disposant des bobinages autour de chaque branche de l'étoile puis en fermant le circuit magnétique par des culasses toriques disposées de part et d'autre de l'élément en forme d'étoile, le diamètre extérieur de ces éléments toriques étant sensiblement égal à la longueur des branches de l'étoile et ces éléments toriques étant serrés contre l'élément en forme d'étoile par des moyens de serrage appropriés. Ainsi, la présente invention fournit un transformateur électrique dans lequel une parfaite symétrie des phases est réalisée, ce transformateur étant particulièrement simple à monter puisque des bobinages pré-enroulés peuvent être disposés sur chacune des branches de l'étoile et ensuite les culasses toriques amenées sur les branches et serrées de façon simple. Ces transformateurs présentent 11 avantage d'une puissance massique supérieure à celle des transformateurs triphasés classiques en E, à cinq colonnes ou cuirassés. De plus, du fait de l'absence de joint dans l'étoile, le rendement, le courant à vide, le poids de fer et le poids de cuivre peuvent être réduits, pour une puissance égale par rapport à un transformateur classique. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détails dans la description suivante de modes de réalisation préférés, faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques destinées à faciliter l'exposé d'un procédé de fabrication d'un élément de circuit magnétique en forme d'étoile selon la présente invention,et Les figures 3a et 3b sont des vues de face et de côté, respectivement, d'un mode de réalisation de transformateur triphasé selon la présente invention. En se référant aux figures 1 et 2, on va exposer un mode de fabrication préféré d'un élément de circuit magnétique en forme d'étoile (appelé ci-après par souci de simplification "étoile") selon la présente invention. Il sera néanmoins clair pour l'homme de l'art que la présente invention concerne le~produit industriel nouveau que constitue l'étoile décrite, quel que soit son procédé de fabrication. En outre, ces figures représentent un procédé de fabrication d'une étoile régulière à trois branches, mais il est clair que ce procédé peut s'étendre à la fabrication d'une étoile ayant un nombre quelconque de branches. La figure 1 représente un élement de circuit magnétique torique 1 pris entre trois mâchoires 2. Cet élément torique l est de préférence réalisé par enroulement d'une bande de tôle magnétique autour d'une broche. On notera que de tels éléments toriques sont couramment fabriqués actuellement par les fabricants de circuits magnétiques et que les machines pour les réaliser sont bien connues , c'est pourquoi l'utilisation de tels éléments toriques est préfé- rentiellement décrite dans la présente description, bien que toute autre disposition initiale de l'élément l puisse eAtre prévue par exemple polygonale.Les trois mâchoires 2 font partie d'un dispositif de pression permettant d'exercer sur elles des efforts les amenant à converger vers le point 0. La figure 2 représente l'étape finale de ce procédé de fabrication, les mSchoires 2 ayant été légèrement desserrées. on constate que ltélément I a pris par suite d'un serrage la forme d' une étoile de façon sensiblement complémentaire à la forme des mi- choires, et, en particulier, dans le cas représenté, il a été prévu de laisser un jour au centre de l'étoile pour permettre éventuellement le passage d'un moyen de fixation. La présence et la forme de ce jour sont déterminées par la forme des mâchoires et, en outre, il peut être prévu de placer, avant le serrage, une pièce de forme donnée au centre de l'élément torique l pour déterminer la forme du jour. Une fois obtenue étoile représentée en figure 2, d'autres opérations classiques sur les éléments de circuits magnétiques peuvent être réalisées, notamment, de façon générale, cette étoile sera soumise à un traitement thermique, et elle sera éventuellement imprégnée par un procédé classique, tel qu'une imprégnation par trempage ou sous vide. En outre, il est possible de prévoir un sur fanage ou un rodage après imprégnation de parties déterminées des aoes de l'étoile. Les figures 3a et 3b sont respectivement des vues schéma tiques de face et de côté d'un transformateur triphasé utilisant un élément de circuit magnétique en étoile selon la présente invention. Dans ce transformateur triphasé, des enroulements 4 sont disposés sur chaque branche de l1étoile, puis des culasses 5 sont disposées de part et d'autre de l'étoile pour fournir la fermeture du circuit magnétique. La surface de contact entre chaque culasse 5 et l'étoile est supérieure ou gale à la sectiond'une branche de l'étoile. Ainsi, la réluctance des Joints et des culasses ainsi constitués est considérablement diminuée. Un tel transformateur peut comprendre des moyens de serrage simples, et du fait que la surface des Joints entre les culasses et l'étoile est nettement supérieure à la section de l'étoile, au moins le double de cette section, il n'est pas nécessaire de prévoir un surfaçage ou un rodage des portées.Néanmoins, un tel surfaçage ou rodage peut eAtre prévu si cela est Jugé nécessaire pour des applications particulières. On notera que l'association da l'étoile 1 et des deux culasses toriques 5 forme un ensemble mécanique très robuste et indéformable et que les joints extérieurs bénéficient directement et au maximum de l'action des dispo sitirs- de serrage. Cette disposition de transformateur triphasé présente notamment l'avantage de réduire la longueur des lignes de flux et ltencombrement de l'ensemble du transformateur à puissance égale. En outre, à puissance donnée, en raison de l'absence de joint au centre de l'étoile, on notera qutun tel dispositif fournit un meilleur rendement, un plus faible courant à vide, un plus faible poids de fer et un plus faible poids de cuivre, cette dernière caractéristique étant essentiellement due au fait que, en raison du serrage efficace des joints, il est possible de travailler à très haute induction dans le circuit magnétique par exemple de 1,8 à 2,0 Tesla et d'augmenter par-là la densité de courant dans les bobinages. Les enroulements coniques de ces bobinages permettent de minimiser les dimensions du transformateur.En outre, on notera que le transformateur décrit en figure 3a et en figure 3b présente l'avantage d'une bonne ventilation en raison de la grande dimension des fenêtres. L'homme de l'art notera que la description faite en relation avec les figures 3a et 3b constitue seulement un exemple particulier d'utilisation d'une étoile selon la présente invention, un tel élément de circuit magnétique pouvant être utilisé dans de nombreuses autres applications, par exemple un transformateur de puissance hexaphasé pourra être utilisé au moyen d'une étoile à six branches, un transformateur de puissance tétraphasé au moyen d'une étoile à quatre branches.Il est également possible de prévoir des transformateurs de nombre de phases tels que des transformateurs de courant triphasé en courant hexaphasé ou de courant diphasé en courant tétraphasé, etc.. De même, un transformateur selon la présente invention peut être utilisé à la mesure et au contrôle de l'équilibre des courants dans un réseau polyphasé. En outre, les culasses de fermeture 5 ont été décrites ci-dessus comme ayant une forme torique, il est clair que ces culasses peuvent avoir toute forme polygonale ou autre-pour satisfaire des besoins particuliers. Dans la présente invention, la forme en étoile se comprendra au sens le plus large. Notamment, cette étoile n'est pas nécessairement régulière et la forme des branches est quelconque. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaitront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Elément de circuit magnétique en forme d'étoile, caractérisé en ce que la matière constituant les différentes branches de l'étoile est continue, d'où il résulte qu'aucun joint ne s' oppose à la circulation des flux magnétiques dans cet élément. 2 - Elément de circuit magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière constituant l'étoile est une bande de tôle magnétique unique. 3 - Procédé de fabrication d'un élément de circuit magnétique en forme d'étoile comprenant l'étape consistant à rouler une bande de t81e magnétique pour former un circuit magnétique torique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape suivante - déformer ce circuit torique au moyen d'un dispositif de pression agissant en n points de façon convergente, ces n points étant régulièrement répartis angulairement. 4 - Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque élément de pression du dispositif de pression a une forme correspondant sensiblement au complément de la forme souhaitée de la région entre deux branches de l'étoile, d'où il résulte qu'aucune autre opération de formage n'est nécessaire après l'action du dispositif de pression. 5 - Procédé de fabrication selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes - traiter thermiquement l'élément obtenu, - procéder à une opération d'imprégnation, et - surfacer ou roder des parties déterminées des faces de l'étoile. 6 - Procédé de fabrication d'un élément de circuit magnétique en forme d'étoile selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de pression comprend trois mâchoires de pression à 120 , d'où il résulte que l'on obtient une étoile à trois branches. 7 - Transformateur électrique polyphasé, caractérisé en ce qu'il comprend - un élément de circuit magnétique en forme d'étoile, - des enroulements électriques disposés sur chaque branche de l'étoile, -.un élément de circuit magnétique formant culasse disposé sur une face de ltélément en forme drétoile, le diamètre externe de cet élément étant sensiblement égal à la longueur des branches de étoile, et cet élément prenant appui sur cette étoile, - des moyens de serrage pour serrer ltélément de culasse sur l'étoile. 8 - Transformateur électrique polyphasé selon la revendication 7, caractérisé en ce qutun deuxième élément de circuit magnétique formant culasse est disposé sur la deuxième face de ltélément de circuit magnétique en forme d'étoile et en ce que les trois éléments de circuits magnétiques sont serrés par des moyens de serrage appropriés. 9 - Transformateur électrique polyphasé selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que la surface de portée entre une branche de l'étoile et le ou les éléments de circuits magnétiques formant culasse est supérieure à la section des branches de ltétoile. 10 - Transformateur électrique polyphasé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ltélément de circuit magnétique formant culasse est de forme torique. ll - Transformateur selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que ltélément de circuit magnétique en forme d'étoile est un élément selon l'une des revendications 1 ou 2.