Brevet FR2464544A1 — publié le 19810306

Coupleur inductif coaxial L'invention concerne en général les dispositifs coupleurs de signaux et/ou d'énergie, électriques, et plus particulièrement un coupleur de la variété des coupleurs inductifs. Les coupleurs inductifs, destinés au couplage d'énergie élec- trique d'une source avec une charge d'utilisation, sont employés dans des environnements o le milieu ambiant s'oppose à l'em- ploi de contacts électriques normaux à découvert, métal sur métal. Par exemple, de tels coupleurs sont utilisés pour éviter des étincelles dans une atmosphère explosive et trouvent un large emploi dans l'industrie pétrolière off-shore ou d'autres opérations sous l'eau pour effectuer des connexions de circuit à circuit au-dessous de la surface de l'eau. Le coupleur inductif est basé sur le principe des transforma- teurs de courant alternatif, c'est-à-dire que par induction électromagnétique une tension est induite par un enroulement primaire dans un enroulement secondaire à l'aide d'un circuit magnétique sans réaliser aucune connexion électrique physique. Dans sa forme la plus simple, un type de coupleur inductif utilise deux noyaux en C représentant un circuit magnétique, chacun de ces noyaux ayant un enroulement respectif, et, lors- que les extrémités terminales respectives des deux noyaux en C sont amenées l'une contre l'autre, un transformateur de prin- cipe est formé. Par application d'un isolement électrique et de matériaux de protection contre la corrosion appropriés, un tel connecteur peut être utilisé comme interface électrique entre des composants immergés. Lorsqu'ils sont utilisés pour des transferts de signaux ou de données, ces coupleurs face contre face, s'ils sont séparés par un intervalle même relativement faible, présentent une diminution inacceptable de la réponse générale en fréquence. tn autre type de coupleur, tel que celui décrit au brevet anglais L 1 3b6 134, a été proposé pour le transfert d'énergie clectrique et est constitué d'une partie rr.agnétique externe avec enroulement, dans laquelle est logé de façon coaxiale un circuit magnétique interne avec enroulement. Une source d'éner- gie électrique est connectée à l'enroulement extérieur, lequel constitue un primaire, et, un circuit d'utilisation est con- necté à l'enroulement intérieur lequel forme un secondaire. Avec un tel agencement, lorsque l'enroulement intérieur est retiré, le courant primaire s'accroit à un degré tel qu'une pièce-broche doit être insérée dans la pièce-douille ainsi ouverte d'o vient d'être retiré l'enroulement intérieur, de façon à empêcher le circuit primaire de griller. En variante, il est proposé de créer un circuit électrique auxiliaire com- plet formé d'une pluralité d'éléments inductifs et capacitifs afin de former un circuit accordé avec le bobinage primaire. Ainsi lorsque le secondaire est retiré au désaccouplement, le circuit électrique se désaccorde de telle sorte que le courant primaire soit abaissé de façon notable. L'invention a pour but principal-de créer un coupleur inductif perfectionné, du type coaxial précité et qui élimine complète- ment le besoin de pièces d'enfichage ou broches auxiliaires, ou de composants de circuit électrique auxiliaire nécessaires pour un circuit accordé. Un autre type de coupleur coaxial utilise des enroulements coaxiaux primaire et secondaire couplés inductivement l'un à l'autre sans le secours d'un circuit magnétique fermé à noyaux. Bien que l'énergie électrique dans les coupleurs d'un tel type soit délivrée à l'enroulement interieur constituant un primaire, ils ne présentent qu'un couplage très faible et la réalisation est relativement inefficace. D'autres types encore de coupleurs coaxiaux qui comportent des - 3 - circuits magnétiques fermés, possèdent des surfaces tronconi- ques conjuguées. Lorsqu'ils sont utilisés dans un environnement subaquatique, o la boue, les algues, et les produits marins par exemple, peuvent venir en contact avec les surfaces conju- guées, le fonctionnement correct du couplage est sévèrement dégradé par suite de désalignement axial. Le coupleur coaxial selonl'invention est d'une conception telle qu'il permette un degré relativement élevé de désaligne- ment axial tout en maintenant encore un fonctionnement correct, non seulement du transfert d'énergie électrique, mais aussi du transfert de données. De plus, la structure de ce coupleur est telle qu'elle facilite l'accouplement et le désaccouplement même en milieux subaquatiques o la visibilité peut être affectée. L'invention réside, en gros, dans un coupleur inductif compre- nant: un premier ensemble support comportant une partie en tige allongée; un premier noyau allongé conducteur de flux magnétique, s'étendant autour de cette tige et porté par elle, et comportant une première et une seconde partie terminale ainsi qu'une partie centrale joignant ces parties terminales; un premier enroulement positionné autour de cette partie cen- trale; un second ensemble support de forme générale cylindri- que et creuse; un second noyau conducteur de flux magnétique, positionné autour de la surface intérieure du second ensemble support; un second enroulement positionné autour de la surface interne de la partie centrale de ce second noyau; le premier noyau pouvant s'accoupler intérieurement avec le second noyau de telle sorte que les première et seconde parties terminales de ce premier noyau soient en correspondance de flux magnétique avec les parties terminales respectives du second noyau; ce second noyau présentant une forme cylindrique creuse, des pre- mière et seconde parties terminales et une partie centrale joignant ces parties terminales. Le coupleur inductif selon l'invention comporte un premier ensemble support ayant une partie en tige allongée qui supporte un premier noyau allongé conducteur de flux magnétique0 Ce noyau possède une première et une seconde partie terminale, avec une partie centrale disposée entre ces dernières et autour de laquelle est bobiné un premier enroulement. Un second ensemble support de forme générale cylindrique et creux est ménagé pour supporter un second noyau conducteur de flux magnétique, qui est positionné autour de la surface inté- rieure de ce second ensemble support. Le second noyau est de forme générale cylindrique creuse et comporte des première et seconde parties terminales, et, une partie centrale avec un second enroulement qui est positionné autour de la surface intérieure de la partie centrale. Les noyaux peuvent s'épouser relativement de telle sorte que les première et seconde parties du premier noyau soient en correspondance de flux magnétique avec les parties terminales respectives du second noyau. Une coque protectrice extérieure cylindrique entoure en même temps les premier et second noyaux quand ils sont dans la position o ils s'épousent, et, un dispositif est ménagé pour verrouiller le coupleur lorsqu'il est dans ce dernier état. Un exemple de mode de réalisation de l'invention est représenté au dessin annexé, dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un coupleur inductif face contre face selon l'art antérieur; - la figure 2 donne des courbes représentant le rendement du coupleur de la figure 1; la figure 3 est une vue d'un autre coupleur inductif de l'art antérieur; la figure 4 est une vue simplifiée d'un coupleur selon l'invention en état de couplage d'énergie électrique; - la figure 5 est un circuit destiné à illustrer les courants circulant dans l'enroulement primaire du coupleur inductif - la figure 6 est un diagramme vectoriel illustrant certaines relations entre courants; - la figure 7 est une coupe axiale d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le coupleur intéressé se trouvant en état de désaccouplement; - la figure 8 est une coupe axiale d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le coupleur intéressé étant en état d'accouplement; et, - les figures 9 et 10 sont des vues en perspective éclatées et avec arrachements du coupleur de la figure 7O En se reportant maintenant à la figure 1, il y est représenté un coupleur inductif face contre face courant de l'art antérieur. Ce coupleur 10 est constitué de deux parties de bottier 12 et 13 comprenant chacune un noyau en C respectif 15 et 16 ayant des enroulements respectifs 18 et 19. Des plaques couvercles en acier inoxydable 21 et 22 protègent les noyaux du milieu ambiant tel qu'un environnement subaquatique. Les enroulements 18 et 19 sont connectés électriquement à des câbles respectifs 24 et 25 qui dans un emploi typique transpor- tent des données ou signaux d'information. De tels coupleurs sont extrêmement sensibles en réponse de fréquence à l'écarte- ment relatif des deux parties s'épousant 12 et 13. Par exemple, sur la figure 2, la courbe 30 représente une réponse courante de fréquence, sans intervalle entre les parties s'épousant. - b - b La courbe 31 illustre la réponse dégradée produite si les pièces de bottier sont séparées par une distance de 0,031 pouce (0,0787 cm). Les courbes montrent qu'à 100 kilohertz (khTz), il y a approximativement une réduction de 2 dB dans la réponse, cependant aux fréquences plus basses, la différence est notablement plus élevée. Un autre type de coupleur inductif de l'art antérieur, qui a été proposé pour emploi dans une atmosphère explosive est représenté en coupe sur la figure 3 et comporte un noyau cylin- drique extérieur 34 présentant des ailes intérieures 35 et 36 s'étendant radialement vers l'intérieur à chaque extrémité, grâce à quoi un enroulement 38 est fixé à l'intérieur du cylin- dre. L'autre noyau 40 comporte deux disques d'extrémité 41 et 42 joints par une branche cylindrique centrale 43, cet agence- ment supportant un enroulement 45. Ce coupleur est utilisé pour transférer de l'énergie électrique d'une source 47 à une charge d'utilisation 48, la source connec- -20 tée à l'enroulement 38 constituant le primaire, et la charge d'utilisation étant connectée à' l'enroulement 45 constituant le secondaire de cet agencement de couplage inductif. Avec un tel agencement, lorsque le noyau 40 est retiré du noyau 34 pour effectuer une déconnexion, il se produit un accroisse- ment inacceptable du courant primaire, ce qui nécessite ltinser- tion d'un élément auxiliaire pour remplacer le noyau enlevé. Au lieu de la nécessité de l'insertion d'une broche distincte, l'agencement de la figure 3 peut comporter un circuit auxilaire constitué d'une inductance 51 en série avec un agencement en parallèle d'une inductance 52 et d'une capacité 53, cette in- ductance 52 étant connectée à l'enroulement primaire 38. Les valeurs des inductances et de la capacitance sont telles que lorsque le noyau 40 est inséré à l'intérieur du noyau 34, le - 7 - circuit primaire soit accordé sur la fréquence d'alimentation et, lorsque le noyau 40 est retiré, ce circuit ne soit pas accordé plus longtemps sur cette fréquence de façon à réduire substantiellement et limiter le courant dans ce circuit primaire. L'inducteur selon l'invention est du type représenté à la figure 3 mais, cependant, lorsqu'il est utilisé pour un tel transfert d'énergie électrique, il élimine complètement, pour protéger le primaire, le besoin d'une fiche insérable séparée ou d'un circuit auxiliaire distinct. La figure 4 représente dans son principe le concept du transfert d'énergie électrique selon l'invention. Le coupleur inductif de cette figure 4 comporte un noyau intérieur 60 ayant des parties terminales agrandies 61 et 62, chacune d'une longueur W suivant l'axe et un enroulement 63 d'une longueur î disposé entre ces parties terminales. Disposé extérieurement autour de ce noyau intérieur se trouve un noyau extérieur 67, de forme générale cylindrique, ayant des parties terminales s'étendant vers l'in- térieur 68 et 69, chacune d'une longueur Et suivant l'axe, con- tenant entre elles un enroulement 70 d'une longueur ú'0 Les longueurs suivant l'axe, inégales, des parties d'extrémité et des enroulements, permettent un mouvement axial relatif limité des noyaux intérieur et extérieur en réponse aux forces axiales sur le coupleur sans accompagnement d'aucune modification de rendement. Les parties terminales des noyaux 60 et 67 sont en correspon- dance de flux magnétique et des moyens sont prévus pour connec- ter l'enroulement intérieur 63 à une source d'énergie électrique 74 et pour connecter l'enroulement extérieur 70 à une charge d'utilisation 75. On doit noter que cet agencement connectant la source à l'enroulement intérieur et la charge d'utilisation à l'enroulement extérieur contraste directement avec l'agence- ment proposé par la figure 3 de l'art antérieur0 - $ - Un circuit simplifié équivalent à l'enroulement primaire est illustré à la figure 5 et comporte l'agencement en parallèle d'une inductance L et d'une résistance R. Le courant primaire est Ip, il est constitué du courant magnétisant IL traversant l'inductance L et du courant d'utilisation réfléchi IR tra versant la résistance Ro La figure 6 représente un diagramme vectoriel des courants il- lustrés sur la figure 5. Le vecteur IR représente le courant d'utilisation réfléchi et le vecteur IL1 représente le courant magnétisant traversant l'inductance Lo En conséquence, Ip est le courant primaire résultant. Dans un mode de réalisation préférentiel les noyaux seront constitués de ferrite et en conséquence tous courants de pertes dans le noyau seront mi- nimaux et, pour la clarté, n'ont pas été représentéso Quand le coupleur n'est pas accouplé, il n'y a pas de courant d'utili- sation réfléchi et le courant primaire total est le courant traversant l'inductance L, désigné par le vecteur IL2 sur la figure 6o L'enroulement intérieur ou primaire 63 possède une certaine inductance LM en etat d'accouplement et une inductance LU dif- férente et bien plus basse en état de- désaccouplement. Si le rapport du courant d'utilisation réfléchi au courant magnéti- sant (IR/IL1) est étudié pour être le même que le rapport LM/Lu, le courant primaire ne change alors pas notablement d'amplitude mais demeure sensiblement constant dans l'état d'accouplement ou de désaccouplement du coupleur inductif. Ainsi, sur la fi- gure 6, le vecteur Ip, lorsque le coupleur est en état accouplé, est approximativement de la même grandeur que le vecteur IL2, qui représente le courant primaire lorsque le coupleur est en situation désaccouplée. Par le jeu d'un exemple dans un montage d'essai, pour un coupleur ayant 40 tours aux enroulements pri- maire et secondaire, avec noyaux de ferrite, l'in'ductance de l'enroulement du noyau intérieur, en état accouplé, était de - 9 - l'ordre de 4,8 millihenrys, et de 360 microhenrys en état désaccouplé. Ces valeurs donnent un rapport de LM/LU = 13,3/1. Dans la pratique, ce rapport de 13,3/1 serait quelque peu plus élevé que souhaité pour un rapport de courant d'utilisation réfléchi au courant magnétisant puisqu'il nécessiterait plus de tours au primaire, amenant ainsi un accroissement de pertes dans le cuivre se traduisant par un ensemble quelque peu inef- ficace. En conséquence, le rapport du courant d'utilisation réfléchi au courant magnétisant est choisi pour être de l'ordre de 5/1. Puisque ce n'est pas le rapport exact de LM/LU, le cou- rant dans le primaire va monter quelque peu lorsque le coupleur sera désaccouplé, mais il ne montera seulement que de 2 fois 1/2 approximativement (13,3: 5 = 2,6), ce qui est plus qu'accepta- ble, et, en fait, un accroissement du courant primaire d'appro- ximativement 5 fois celui d'un état accouplé doit donner des résultats satisfaisants. La figure 4 illustrait les principes d'un mode de réalisation selon l'invention pour la représentation simpliste d'un coupleur coaxial. Un autre mode de réalisation d'un coupleur réel selon les enseignements de l'invention est représenté aux figures 7 à auxquelles il sera maintenant fait référence. Ce coupleur 80 est constitué de deux parties accouplables 82 et 83, la partie 82 contenant un noyau intérieur 8b et la partie 83 contenant un noyau extérieur 87. Un ensemble support intérieur 90 comporte une partie en tige allongée 91 sur laquelle est monté le noyau intérieur 86. Pour faciliter la fabrication, ce noyau intérieur, de préférence en ferrite support de flux magnétique, est cons- titué de trois pièces séparées, les pièces d'extrémité 94 et 95 et une pièce centrale 96 autour de laquelle sont bobinés un certain nombre de tours d'un enroulement primaire 97. L'ensemble entier est maintenu en position au moyen d'une tête de retenue 104 fixée à la partie de tige 91 au moyen d'une vis 105. - 10 - Une coque de protection e>xtérieure 110 'est montée par vissage en 111 sur l'ensemble support intérieur 90 auquel une tête d'extrémité 114 est aussi connectée, au moyen de vis 1*13. Cette tête d'extrémité 114 en conjonction avec l'ensemble support intérieur 90 délimite une cavité intérieure 118 dans laquelle est située une pièce d'ancrage 120 maintenue en position, de preférence en remplissant la cavité interne 118 avec une résine telle que du polyuréthane. Un câble électrique 122, de type coaxial, est amené à travers la tête d'extrémité 114, et ensuite son blindage extérieur 123 et son conducteur intérieur 124 sont connectés à des bornes 125 et 126 respectivement, le conducteur intérieur 124 passant dans la pièce d'ancrage 120. Une extrémité de l'enroulement 97 est connectée à la borne 125 par le passage qui comporte une rai- nure 130 dans la pièce en ferrite 97, se poursuit dans la rai- nure 131 de la pièce d'extrémité 94 et passe dans l'ouverture 132 de l'ensemble de support intérieur 90. L'autre extrémité de l'enroulement 97 est connectée à la borne 126 par le passage qui comporte des rainures 130' et 131' et l'ouverture 132'. La partie d'accouplement 83 comporte une tête d'extrémité 150 à laquelle est connectée par l'intermédiaire de vis 152, un cylin- dre intérieur 154 constitué d'un matériau plastique, tel que du "1delrin", et formant un logement épaulé 155 sur sa surface inté- rieure, adapté pour recevoir-le noyau magnétique extérieur 87 et limiter son degré d'insertion. Pour la facilité de la fabrication, le noyau magnétique exté- rieur 87 est fabriqué en trois pièces: deux pièces d'extrémité et 161 ayant des parties terminales qui s'étendent radiale- ment vers le centre du noyau et une partie centrale 162 avec un enroulement 165 se trouvant contenu entre les pièces d'extrémité et 161. La partie magnétique est maintenue en position au moyen d'une grande pièce guide 168 montée par vissage dans _ 11 _ l'extrémité du cylindre extérieur 154 et ayant une partie ter- minale 169, généralement arrondie et tronconique pour la commo- dité d'insertion dans la coque de protection extérieure 110 et pour limiter le mouvement du noyau extérieur 87. D'une manière similaire au câble électrique 122, un câble élec- trique coaxial 170 a son blindage extérieur 171 connecté à une borne 172 tandis que son conducteur intérieur 174 passe à tra- vers une pièce d'ancrage 175 et est connecté à une borne 176. La pièce d'ancrage 175 est maintenue en position au moyen d'un matériau d'enrobage 178 tel que du polyuréthane. Une extrémité de l'enroulement 165 est alors connectée à la borne 172 tandis que l'autre extrémité de cet enroulement est connectée à la borne 176. Afin de maintenir les parties 82 et 83 en état de verrouillage lorsqu'elles sont accouplées, il est prévu plusieurs verrous 184 disposés à l'intérieur de cavités dans la tête d'extrémité , Comme visible sur la figure 8, la partie saillante 185 du verrou 184 s'engage dans une rainure 186 à l'intérieur de la coque de protection extérieure 110, et est maintenue dans cet état sous l'action d'un ressort 188. Avec cet agencement, les deux parties accouplées ne se désaccouplent pas simplement du fait d'une traction exercée sur les câbles respectifs 122 et 170. Afin de les désaccoupler, il est ménagé une bague de ver- rouillage 190 à laquelle sont connectées plusieurs tiges de déverrouillage 191 traversant des ouvertures respectives de la tête d'extrémité 150. Ces tiges dedéverrouillage comportent une surface dentée ou en came 195 et lorsque la cuvette 190 est tirée, l'action de came de la surface de verrou 184 qui s'en- gage aveu la surface de came 195 provoque le retrait du verrou 184 à fond dans sa cavité, tirant la partie saillante 185 hors d'engagement avec la rainure 186 pour effectuer, de ce fait, un désaccouplement des parties 82 et 830 Le mouvement de la cuvette de déverrouillage 190 est limité par des saillies d'extrémité 197 des tiges de déverrouillage 191. Si la cuvette de déver- rouillage 190 est maintenue dans sa-position d'extension, le verrou 184 est alors maintenu dans son état de retrait de telle sorte que les deux parties peuvent être accouplées, après quoi la cuvette de déverrouillage 90 est déplacée dans la position illustrée à la figure 8 pour effectuer un verrouillage des deux parties. Si, d'autre part, en état désaccouplé, la cuvette de déverrouil- lage 190 est poussée en avant de telle sorte que le verrou 184 s'engage sur une surface inclinée 195 de tige de déverrouillage , l'accouplement et le verrouillage peuvent alors être encore effectués par le moyen de la surface inclinée 200 de la surface intérieure de la coque de protection extérieure 110, qui forme une surface à effet de came pour la saillie 185 du verrou 184 pour forcer celui-ci dans son logement de telle sorte que le coupleur puisse être mis dans l'état de la figure 8. Lorsque le coupleur est utilisé dans une ambiance subaquatique, il existe une possibilité que des matières étrangères puissent pénétrer dans les cavités lorsque ce coupleur est en état de désaccouplement. De telles matières étrangères, par exemple, peuvent comprendre la boue, le sable, les algues, etc. En conséquence, on a pourvu à l'essuyage de la surface intérieure de la coque de protection extérieure 110 et des surfaces des pièces magnétiques découvertes. Ceci est accompli en ménageant des rondelles ou bagues 204 et 205 positionnées entre le cylin- dre intérieur 154 et la grande pièce guide 168, ainsi qu'une rondelle similaire 206 située autour de la tige 91 et maintenue en position au moyen de la tête de retenue 104. Ces rondelles sont constituées, de preférence, d'une matière à base de caout- clhouc qui empêche l'encrassement à l'accouplement, un exemple étant "NO FOUL" (SANS ENCRASSEMENT), un produit de la Compagnie B.F. GOODRICH 00, Puisque la rondelle 204 est en engagement étroit avec la surface intérieure de la coque de protection - 13 - extérieure 110 des ouvertures 210 et 211 sont ménagées dans cette coque de façon à procurer des trous d'évacuation pour l'eau lorsque les parties de l'accouplement sont accouplées et désaccouplées respectivement. - 14 - R-NE-NCI)A T I ONÄS 1. Coupleur inductif caractérisé en ce qu'il comprend: un premier ensemble support comportant une partie en tige allongée un premier noyau allongé conducteur de flux magnétique s'éten- uant autour de cette tige allongée, porté par elle et comportant des première et seconde parties terminales et une partie centrale reliant ces parties terminales; un premier enroulement positionné autour de cette partie centrale; un second ensemble support de forme générale cylindrique et creuse; un second noyau conducteur de flux magnétique positionné autour de la surface intérieure de ce second ensemble support; un second enroulement positionné autour de la surface inté- rieure de la partie centrale de ce second noyau le premier noyau pouvant s'accoupler intérieurement avec le second noyau de telle sorte que les première et seconde parties d'extrémité du premier noyau soient en concordance de flux - magnétique avec les parties terminales respectives du second noyau; ce second noyau présentant une forme cylindrique creuse, des première et seconde parties terminales, et ladite partie centrale réunissant ces deux parties terminales. 2. Coupleur inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une coque de protection cylindrique exté- rieure entourant ensemble les premier et second noyaux lors- - 15 - qu'il est à l'état accouplé. 3. Coupleur inductif selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette coque de protection est portée par le premier en- semble support. 4. Coupleur inductif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte: une pièce guide connectée à une extrémité de l'ensemble de forme générale creuse pour faciliter l'insertion dans ladite coque de protection. 5. Coupleur inductif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier noyau est consti- tué de plusieurs pièces en matériau conducteur de flux magné- tique. 6. Coupleur inductif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble support de forme générale cylindrique et creuse comporte un dispositif pour limi- ter le degré d'insertion en son intérieur du second noyau. 7. Coupleur inductif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pièce guide est accouplée au second noyau et comporte un dispositif pour limiter le mouvement de cette pièce par rapport à l'ensemble support de forme générale cylindrique et creuse0 8. Coupleur inductif selon l'une quelconque-des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte. une structure d'essuyage pour la surface intérieure de ladite coque de protection extérieure chaque fois que le coupleur est accouplé ou désaccouplé0 16 - 9. Coupleur inductif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une structure de balayage des surfaces des premier et second noyaux qui sont en concordance de conduction de flux magnétique, chaque fois que le coupleur est accouplé et désaccouplé,