Brevet FR2327617A1 — publié le 19770506

l'invention concerne un transformateur de puissance hautefréquence à large bande destiné notamment à être utilisé dans la bande de fréquences allant de 10 à 250 kilohertz (hautes-fréquences industrielles) dans un générateur pour usage industriel destiné au chauffage par induction et équipé de tubes électroniques (triodes), par exemple. la mise en oeuvre du chauffage par induction implique, en général, pour des raisons de sécurité et de commodité d'er.loi, l'utilisation au niveau des inducteurs de chauffage couplés à la charge à chauffer, de basses tensions de quelques dizaines ou centaines de volts au plus. Or, l'énergie électrique fournie na des tubes électroniques oscillateurs de puissance l'est sous la forme de tensions altervantives très élevées de plusieurs milliers de volts pour obtenir des puissances de l'ordre de quelques dizaines de kilowatts.Lorsque le circuit résonnant parallèle déterminarr\ 3a fréquence de l'oscillation, composé d'une inductance et d'une capacité en parallèle, est situé dans le circuit de l'anode du tut il fournit une puissance réactive élevée dont une partie seulement: est transmise au secondaire d'un transformateur haute-fréquence à air relié à l'inducteur de chauffage, ce secondaire étant couplé à l'inductance d'accord du circuit anodique. Il est, par conséquent, plus avantageux de ne disposer dans le circuit anodique du tube électronique que le primaire du transformateur de puissance, qui doit dans ce cas~présenter de très faibles fuites (couplage serré) et être à large bande pour transmettre sans atténuation notable plusieurs harmoniques du courant anodique, le condensateur d'accord nécessaire à l'élaboration de la puissance réactive étant alors branché aux bornes de l'inducteur de chauffage alimenté par le secondaire qui lui fournit la seule puissance active nécessaire au maintien des oscillations (voir, par exemple, à la page E 1640-6, figure 19 de l'ouvrage "Les Techniques de l'Ingénie, dans l'article de J. PIERGO, pages 267 à 271 du n 339 de la revue "Sciences et Vie" datant de Décembre 1945, ou dans l'article de G.HELLER, pages 49 à 55 du tome 1, n 2 de la "Revue Technique Philips" datant de Février 1936). Dans le circuit du secondaire d'un tel transformateur, la tension crête étant nettement inférieure à celle aux bornes du primaire, il est par conséquent possible d'utiliser des condensateurs de basse-tension. La construction de transformateurs de puissance à couplage serré est bien connue et couramment appliquée dans le domaine des moyennes fréquences industrielles dont la limite supérieure se situe aux environs de 12 kRz. Un tel transformateur utilise un circuit magnétique finement feuilleté et comporte un ensemble de bobinages primaire et secondaire coaxiaux et de préférence imbriqués entre eux, la tension aux bornes du primaire fournie par un alternateur ou un onduleur, ne dépassant pas 2000 V et celle aux bornes du secondaire pouvant aller de quelques dizaines de volts a environ 200 V. L'objet de l'invention est constitué par un transformateur haute-fréquence perfectionné, à large bande et à couplage serré (faibles fuites), ayant des rapports de transformation élevés, pouvant travailler dans une bande de fréquences de 10 à 250 kHz ou plus, et dont le primaire est alimenté par de très hautes tensions. Il est donc adapté pour travailler avec des générateurs de hautefréquence pour usage industriel équipés de tubes électroniques. Suivant-l'invention, un transformateur de puissance hautefréquence à large bande et à rapport de transformation élevée comportant un circuit magnétique fermé à trois branches en un ferrite de perméabilité élevée et des enroulements primaire et secondaire coaxiaux et enroulés autour de sa-branche centrale, est principalement caractérisé par le fait que l'enroulement primaire comporte des premières galettes composées de deux ou plusieurs spirales plates superposées, reliées en série et comportant chacune plusieurs spires situées dans un même plan, par le fait que l'enoulement secondaire comporte des secondes galettes comportant chacune une spire unique en un conducteur creux et aplati ayant un diamètre moyen et une largeur approximativement égaux à ceux des spirales plates composant les premières galettes, et par le fait que les premières et secondes galettes sont disposées de façon alternée et isolée autour et le long de la branche centrale du circuit magnétique en ferrite. L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses caractéristiques et avantages ressortiront de la description ci-après et des dessins annexés s'y rapportant, donnés à titre d'exemple non limitatif, sur lesquels - la figure 1 est une coupe en élévation illustrant le mode de réalisation préféré du transformateur objet de l'invention ; - la figure 2 est une coupe partielle d'une galette de primaire haute-tension ; - la figure 3 est une coupe selon AA du transformateur de la figure 1 ; et - la figure 4 est une illustration éclatée d'une galette hautetension faisant partie de 1' enroulement primaire du transformateur de la figure 1. La figure 1 représente une coupe en élévation du mode de réalisation préféré d'un transformateur de puissance hautefréquence à large bande suivant l'invention, utilisable avec un oscillateur-générateur classique à tubes électroniques et la figure 3 est une coupe selon AA de ce meme transformateur. le circuit magnétique 1 est réalisé à l'aide de pièces en forme de U 2 et de I 3 de section carrée ou rectangulaire, en un ferrite composé d'oxydes de fer, et de nickel et/ou de zinc et/ou de manganèse (Fe2 03, NiO, ZnO, MnO), par exemple. On a choisi des pièces en forme de U et de I de dimensions courantes, qui sont réalisées en grande série et qui sont, de ce fait, relativement peu coûteuses et aisément accessibles dans le commerce. Ces pièces ou éléments 2 et 3 en ferrite sont assemblés à la suite et côte à côte pour former un circuit magnétique pratiquement fermé à trois branches de section idoine. les pièces 2 et 3 sont maintenues ensemble en contact étroit à l'aide de deux cadres 4 rectangulaires entourant les arêtes extérieures de l'assemblage et comportant un évidement 5 en vue de maintenir les pièces en place. tes cadres 4 sont réalisés en un matériau isolant dur et comportent des ouvertures 6 permettant le passage de vis 7. Des écrous 8 font appuyer le cadre 4 sur les bords latéraux extérieurs de l'assemblage de pièces 2 et 3, de façon à le rendre rigide. Si le circuit magnétique 1 comprend plusieurs portions posées côte à cOte, en vue d'avoir une section plus importante, chacune de ses portions est séparée de la voisine à l'aide d'une ou plusieures feuilles minces 9 en un matériau élastique compressible, tel qu'un caoutchouc naturel ou synthétique, ou en mousse de ce matériau, pour assurer la protection des pièces en ferrite 2, 3 qui se cassent assez aisément. Il est à noter que l'on peut obtenir d'encore meilleures performances, c'est-à-dire des fuites pratiquement nulles, si l'on. réalise le noyau de deux pièces de ferrite à la dimension désirée. Dans ce-cas la branche centrale présente une section circulaire de diamètre proche des diamètres intérieurs des enroulements primaire 10 et secondaire 20. Ceci n'est économique que lorsqu'il s'agit de fabriquer des grandes séries. t1 entrefer 40 nécessaire pour déterminer la perméabilité moyenne du ferrite, en vue-d'obtenir une inductance (de-l'ordre de 3mH pourl'enroulemen-t primaire) prédéterminée, est obtenu par un léger racourcissement des éléments de ferrite parallèles soit dans la branche centrale du noyau assemblé 1, soit, de façon symétrique, dans les deux branhes latérales de celui-ci et en insérant dans l'interstice ainsi obtenu des plaquettes 41 d'épaisseur égale à l'entrefer désiré, réalisées en un matériau isolant non-ferromagnétique. La branche centrale du circuit magnétique ou noyau 1, dont les éléments en forme de I 3 ne sont pas en contact avec les cadres 4, est entourée sur toute sa longueur par une carcasse 42 parallélépipédique, en un matériau isolant et rigide, tel qu'un bois bakélisé ou une substance à base de polyvinyl (pic) ou de polytétraflouroéthylène, par exemple. ta section de cette carcasse isolante 42 est rectangulaire et choisie de façon à contenir les éléments en ferrite qui constituent la branche centrale du noyau ainsi que la feuille élastique et compressible 9 qui sépare les pièces posées côte à côte.Cette carcasse rigide 42 qui porte les bobinages 10 et 20 et des disques ou rondelles isolantes d'espacement ou de séparation 43 disposés entre ceux-ci, est emmanchée avant le-montage du noyau, sur une partie de la branche centrale après son assemblage avec ces bobinages 10 et 20, et les disques d'espacement 45. Ces disques 43 présentent un pourtour circulaire d'un diamètre supérieur au diamètre extérieur des enroulements 10 et 20 et une ouverture centrale rectangulaire aux dimensions extérieures de la carcasse 42 et ils sont réalisés en un matériau isolant ayant, de préférence, une faible permittivité relative, afin d'éviter des concentrations des lignes de forcie pouvant conduire à des décharges électriques entre les enroulements primaire et secondaire. te bobinage du transformateur dont le circuit magnétique 1 a été décrit ci-dessus est constitué par une alternance de galettes coaxiales de l'enroulement primaire 10 de haute tension et à courant relativement faible et de l'enroulement secondaire 20 à basse tension et à courant fort, qui entourent la branche centrale du noyau en ferrite 1, c'est-à-dire qu'entre deux galettes basse tension successives 20, il est insérée une galette haute-tension 10. Pour des raisons de sécurité et de couplage, il est avantageux que les galettes extrêmes du bobinage soient celles à basse tension 20. Chacune des galettes de basse tension 20 de l'enroulement secondaire est constituées par une spire plate ouverte 21 en un conducteur de cuivre creux, aplati et parcouru par un fluide de refroidissement et elle est reliée à la galette basse tension voisine à l'aide d'une bretelle inclinée 22 en un même conducteur creux, assurant ainsi la continuité et du courant électrique et du circuit de refroidissement. te conducteur aplati peut avoir une section rectangulaire, elliptique ou ovale, obtenue par l'aplatissement d'un conducteur cylindrique creux de grand diamètre entre deux mâchoires d'une presse de façon à obtenir un largeur nettement supérieure à son épaisseur. Par ailleurs, chacune des galettes de haute tension 10 de l'enroulement primaire comporte deux enroulements en forme de spirale plate 11, 12 parallèles et superposées, dont chacun comporte plusieurs spires situées dans un même plan. Comme on peut voir sur la figure 2 en coupe, le conducteur 19 utilisé pour réaliser l'enroulement primaire 10 est composé de plusieurs brins de fil de cuivre isolés entre eux par une couche de vernis et torsadés, qui sont généralement appelés "fils de Litz". L'isolement du conducteur 12 divisé vers le milieu extérieur est assuré à l'aide d'une bande souple isolante 13 enroulée autour de lui. tes spirales plates superposées 1 1 et 12 de chacune des galettes 10, schématiquement représentées sur la figure 4, sont interconnectées entre elles par les extrémités de leur spires intérieures (centrales) 14 et 15 et elles sont enroulées en sens inverse afin que le courant I qui les parcourt soit partout dans le même sens et que les champs magnétiques ainsi engendrés s'additionnent. tes dimensions respectives des deux galettes 10 et 20 sont choisies de façon que le diamètre intérieur du conducteur tubulaire 21 et celui des spires centrales 14 et 15 soient légèrement supérieurs à la diagonale de la carcasse 42 et pratiquement les mêmes, et que leurs diamètres extérieurs respectifs soient approximativement égaux. Autrement dit, les dimensions respectives des galettes basse 20 et haute tension 10 dans le sens radial par rapport à leur axe commun sont approx;imativement égales, afin d'assurer un couplage serré entre les enroulements primaire et secondaire. Pour le montage du transformateur, objet de l'invention, on procède de la façon suivante - les galettes 10 et 20, sont préalablement réalisées et munies, à leurs deux extrémités, de tronçons de conducteurs permettant, d'une part, de réunir les galettes voisines correspondantes entre elles, en vue d'obtenir des enroulements complets, (voir les bretelles 22 de l'enroulement secondaire 20e-t les bouts de cible 16 de ltenrou- lement primaire 10 représentés sur la figure 3) et, d'autre part, pour les galettes extrêmes, de respectivement réunir les enroulements primaire et secondaire aux circuits anodique et d'utilisation (inducteur de chauffage et condensateur d'accord) à l'aide de tron çons 17, 23 illustrés sur la figure 3 - on prend la carcasse 42, dans laquelle on insère ultérieurement la branche centrale du noyau magnétique en ferrite 1, et on enfile sur elle successivement vn premier disque d'espacement et d'isole-. ment 43, une première galette de basse tension 20, un second disque d'espacement 43, une première galette de haute tension 10, un troisième disque 43, une seconde galette de basse tension 20, un quatrième disque 43 et ainsi de suite jusqu'à ltextrémité supérieure de la carcasse 42, dont la hauteur a été prévue pour contenir le nombre de galettes nécessaire pour obtenir le rapport de transformation et l'inductance désirés - on réunit respectivement les galettes de haute 10 et de basse tension 20 entre elles par soudure ; et - dans le mode de réalisation préféré du transformateur conforme à l'invention, on insère l'ensemble de bobinages ainsi réalisé dans un moule qui l'englobe en laissant dépasser à l'extérieur du moule les bouts des tronçons 17 et 23, la paroi centrale de ce moule étant constituée par.la carcasse 42 - on fait couler dans le moule, de préférence sous un vide primaire dans une enceinte fermée, pompée et chauffée à environ 100 à 1500C, une résine isolante à l'état liquide en un matériau présentant une -permittivité faible, proche de celle des disques d'espacement 43 et, de préférence, en un môme matériau que ceux-ci de préférence inorganique, tel qu'une résine de silicone commercialisée sous l'appelation "Silasthène" (marque déposée) qui présente l'avantage d'être élastique, transparente et d'une consistance proche de celle du caoutchouc ;; - après la solidification de l'enrobage de résine 44, on extrait l'ensemble de bobinages enrobé du moule et l'on procède à son assemblage avec le circuit magnétique I. - te moulage sous vide présente l'avantage de faire pénétrer la résine à l'état liquide dans les interstices entre les spires et entre les enroulements et les disques 43 et évite la formation de bulles d'air.On utilise, de préférence, une résine ne contenant pas d carbone afin que d'éventuels arcs ne créent pas de traces conductrices permanentes, mais il est possible d'utiliser également une résine époxy ou celle commercialisée sous la dénomination dl "Araldite" (marque déposée) qui présentent, par rapport aux résines à base de silicones l'inconvénient de n'être ni élastiques, ni transparentes. Il est à noter que, lorsque l'on veut obtenir un oscillateur à deux tubes électroniques montés en "push-pull", il est avantageux de disposer d'un nombre pair de galettes de haute tension 10 et lion effectue une dérivation de la liaison 16 entre les galettes 10 du milieu, vers l'extérieur de l'enrobage 44 à l'aide d'un troisième tronçon analogue aux deux tronçons 17 des extrémités de l'enroulement primaire qui sont-terminées par des-cosses 18 de soudage (voir figure 3). - Sur la figure 3, on a également représenté, aux extrémités de l'enroulement secondaire, des embouts-creux 24, raccordés au conducteur tubulaire aplati, pour permettre d'y amener le fluide de refroidissement dont la circulation est indiquée par des flèches W. Il est évident que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, qui permet la réalisation de variantes évidentes à l'homme de l'art, tel que, par exemple, l'utilisation d'éléments en ferrite de formes différentes de celles des figures 1 et 3 ainsi que des galettes de haute tension 10 qui comportent un nombre supérieur, de préférence pair, de spirales plates superposées (telles que 1 ou 12) lorsque lton désire obtenir un rapport de transformation, entre secondaire et primaire, très élevé. REVENDICATIONS 1. Transformateur de puissance haute-fréquence à large bande et à rapport de trans formati on élevé comportant un circuit magnétique fermé à trois branches en un ferrite de perméabilité élevée et des enroulements primaire et secondaire coaxiaux et enroulés autour de sa branche centrale, caractérisé par le fait que ltenroulement primaire comporte des premières galettes (io) composées de deux ou plusieurs spirales plates (11, 12) superposées, reliées en série et comportant chacune plusieurs spires situées dans un môme plan, par le fait que l'enroulement secondaire comporte des secondes galettes (20) comportant chacune une spire unique en un conducteur creux et aplati (21) ayant un diamètre moyen et une largeur approximativement égaux à oeux des spirales plates (11, 12) composant les premières galettes (10), et par le fait que les premières (10) et secondes (20) galettes sont disposées de façon alternée et isolées l'une de l'autre autour et le long de la branche centrale du circuit magnétique en ferrite (i). 2. Transformateur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites spirales plates Cii, 12) sont réalisées à l'aide d'un conducteur composé de plusieurs brins de fils isolés entre eux, dit "fils de Litz". 3. Transformateur suivant l1une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, des disques d'espacement et d'isolement (43) en un matériau isolant de faible permittivité, de largeur supérieure à celles des galettes (10, 20) et insérés entre celles-ci. 4. Transformateur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un enrobage (44) en une résine solidifiable, isolante et de faible permittivité. 5. Transformateur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que l'enrobage (44) et les disques (43) sont en une môme résine isolante. 6. Transformateur suivant les revendications 4 ou 5, caractérisé par le fait que ladite résine est inorganique, telle qu'une résine à base de silicones. 7. Transformateur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit magnétique (1) est réalisé à l'aide d'éléments de ferrite en forme de U (2) et de I (3), de dimensions courantes, posés bout à bout et, éventuellement, côte à côte pour former un circuit fermé à trois branches de dimensions prédéterminées et il est assemblé, d'une part, à l'aide de deux cadres (4) en un matériau isolant, entourant les arêtes extérieures du circuit et appuyant sur ses bords latéraux extérieurs opposés au moyen de vis (7) et d'écrous (8) et, d'autre part, à l'aide d'une carcasse creuse (42) en un matériau isolant rigide, s'emmanchant sur la branche centrale et portant I' ensemble des enroulements primaire et secondaire.