Brevet FR2463493A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne le soudage et a plus particulièrement pour objet un transformateur annulai- re pour le soudage en bout par résistance. De tels transforma- teurs sont employés dans des machines à souder en bout par ré- sistance notamment pour le soudage de tubes. L'invention peut être utilisée avec avantage dans des machines à souder en bout par résistance placées à l'inté- rieur des tubes à souder, c'est-à-dire lorsque le transforma- teur de puissance voulue doit avoir un poids et un encombre- ment minimaux. On connaît un transformateur pour soudage en bout par résistance (cf. certificat d'auteur d'URSS N0178429) dans lequel le secondaire est réalisé en deux spires réunies en série ayant l'aspect de deux cylindres disposés coaxiale- ment entourant le noyau et le primaire et constituant une gai- ne étanche aux parois doubles entre lesquelles circule le li- quide de refroidissement. Bien que ce transformateur ait un refroidisse- ment satisfaisant, sa mise en oeuvre n'en est pas moins com- pliquée. Les difficultés sont dues essentiellement au fait que le secondaire ayant la forme de deux cylindres présente une résistance ohmique accrue par rapport aux transformateurs du type à spire unique. L'augmentation de la résistance ohmique du circuit secondaire du transformateur se répercute sur les capacités technologiques de celui-ci, ce qui se traduit par une réduction de la gamme des sections de tubes à souder. On connaît aussi un transformateur pour soudage en bout par résistance (cú.certificat d'auteur d'URSS N093817) comprenant un noyau annulaire entouré de sections de transfor- mateur chacune desquelles a son primaire et son secondaire as- sociés à des frotteurs de contact (des segments de contact). Le noyau revêt, de préférence, la forme d'un anneau polygonal dont chaque côté est entouré complètement dans sa section transversale par le primaire, celui-ci à son tour étant entou- ré par le secondaire. En fonction de la forme des bornes du secondaire le transformateur annulaire peut être utilisé aussi bien pour le soudage à l'extérieur que pour le soudage à l'in- térieur à l'aide d'une machine à souder en bout par résistance. Selon les conditions à satisfaire, le secondaire du transformateur qui vient d'être décrit peut être soumis à un refroidissement naturel ou bien à un refroidissement forcé avec le concours de moyens et procédés largement connus en électrotechnique. Le transformateur décrit ayant le secondaire a spire unique offre une résistance ohmique qui se situe dans la marge de tolérance mais son utilisation pose toutefois des problèmes relevant des causes suivantes. Etant donné que les enroulements et le noyau sont disposés concentriquement, le secondaire entourant le primaire, la longueur de ce dernier est toujours inférieure a celle du secondaire. Par conséquent il y a augmentation de la résistance ohmique du circuit secondaire de la soudeuse ce qui conduit à une surchauffe du transformateur. D'autre part, la disposition concentrique des enroulements fait que la spire secondaire est considérablement éloignée par rapport au noyau ce qui se traduit par une perte de puissance du transformateur. Il est également à noter que le fait d'avoir disposé les sections de transformateur sur-un noyau annulaire se présentant en cercle ou en polygone donne lieu à des vides non remplis de matériaux actifs (cuivre, fer). Il est donc na- turel que ceci influence défavorablement l'utilisation du transformateur. Une autre difficulté réside dans le fait que lors de l'utilisation du transformateur en question dans les soudeuses à installer à l'intérieur des tubes à souder on n'ob- tient pas le résultat voulu en ce qui concerne le refroidisse- ment forcé qui s'impose dans de pareils cas. C'est ainsi que lorsqu'on réduit la section de tel ou tel enroulement et que l'on ajoute des canaux (conduits quelconques) de refroidisse- ment, il y a une augmentation importante des cotes d'encom- brement du transformateur, lesquelles en fait doivent corres- pondre au diamètre intérieur des tubes à souder. D'autre part, si on réalise, à l'intérieur d'un des enroulements, des cavi- tés servant au refroidissement et que l'on conserve les di- mensions des enroulements, ceci conduit à une diminution de la section active de l'enroulement (cuivre) en même temps qu'à un accroissement de la résistance électrique de celui-ci. Le transformateur qui vient d'être décrit se caractérise par une technologie complexe d'assemblage. On se heurte en particulier à des difficultés lorsqu'il y a lieu d'enfiler sur le noyau annulaire des enroulements assemblés concentriquement qui ont une grande longueur suivant l'axe du noyau. L'invention vise à réaliser un transformateur annulaire pour le soudage en bout par résistance qui, ayant un encombrement plus faible que les transformateurs annulai- res connus, possède une puissance plus grande grâce à une mo- dification de la forme des enroulements de transformateur et de la disposition réciproque de ces derniers. Le problème posé est résolu en ce que, dans un transformateur annulaire pour soudage en bout par résistance comprenant un noyau annulaire. entouré de sections de transfor- mateur possédant chacune un primaire et un secondaire refroidi ayant des segments de contact, selon l'invention,-les spires du primaire et du secondaire présentent, dans la section trans- versale du transformateur, l'aspect d'un secteur, les côtés latéraux des spires du primaire étant adjacents aux côtés la- téraux de chacune des spires du secondaire, les spires des enroulements ayant des ouvertures constituant une cavité an- nulaire à travers laquelle passe un noyau annulaire, le cen- tre géométrique de chaque enroulement étant décalé par rapport au centre géométrique du noyau dans le plan de la section transversale de ce dernier de façon telle que le centre géo- métrique du noyau soit éloigné de l'axe du transformateur, ce- ci pour niveler la densité de courant dans les enroulements. Le fait de réaliser les sections de transforma- teur en forme de secteurs disposés circonférentiellement per- met l'utilisation complète du volume du transformateur par les matériaux électriquement actifs, grâce à quoi le transforma- teur se caractérise par un faible encombrement et par des pa- ramètres électriques élevés, à savoir une haute puissance spé- cifique, une faible résistance électrique. Tout ceci permet de monter le transformateur sur une soudeuse à installer à l'in- térieur des tubes à souder de petit diamètre (par exemple 520 mm) ou de grand diamètre (jusqu'à 900 mm). Il est intéressant de doter chaque spire du se- condaire d'un canal réservé à la circulation d'un fluide de refroidissement, il est utile aussi de doter le transformateur de deux bagues de contact dont l'une doit avoir deux passages collecteurs destinés à être réunis d'une part respectivement aux conduits d'amenée et d'évacuation du fluide de refroidisse- ment et d'autre part aux canaux des secondaires. On ajoutera que la seconde bague doit avoir un canal annulaire communiquant avec les canaux des secondaires afin que le fluide de refroi- dissement soit amené à un nombre d'enroulements égal à la moi- tié du nombre total d'enroulements et qu'il soit évacué par les enroulements correspondants à l'autre moitié. Le fait d'amener simultanément le fluide de re- froidissement à une moitié (par exemple à la moitié supérieure à partir du plan diamétral du transformateur) des secondaires et d'évacuer simultanément ledit fluide de refroidissement de l'autre moitié (par exemple de la moitié inférieure à partir du plan diamétral du transformateur) rend plus simples la construction, la technologie de fabrication et l'entretien du transformateur. Il est préférable que le transformateur annulai- re soit constitué par des bandes métalliques enroulées annulai- res, serrées dans le sens radial par des tiges. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe transversale du transformateur annulaire pour soudage en bout par résistance selon l'invention; - la Fig. 2 est une vue en coupe de la figure 1 suivant la ligne II-II montrant une spire du secondaire du transformateur selon l'invention; - la Fig. 3 est une vue en coupe de la figure 1 suivant la ligne III-III montrant une spire du primaire du transformateur selon l'invention; - la Fig. 4 est un schéma qui représente le re- froidissement du transformateur selon l'invention. Lorsque le transformateur faisant l'objet de la présente demande est utilisé sur des machines à souder à ins- taller à l'intérieur des tubes à souder, on le monte générale- ment sur une tige centrale tubulaire 1 (figure 1) qui supporte également les principaux mécanismes de la soudeuse. Le transformateur annulaire pour soudage en bout par résistance comprend un noyau annulaire 2 entouré de sec- tions de transformateur 3 qui possèdent chacune un primaire 4 et un secondaire 5 soumis à refroidissement et relié à des seg- ments de contact qui seront décrits plus bas. Selon l'invention, les spires 4' et 5' respecti- vement du primaire 4 et du secondaire 5 présentent, dans la section transversale du transformateur, l'aspect d'un secteur. Les spires 4' et 5' sont disposées circonférentiellement de façon telle qu'aux c8tés latéraux de chacune des spires 5' du secondaire 5 sont adjacents par leurs cotés latéraux les spi- res 4' du primaire 4. La spire de chacun des enroulements 4, comporte une ouverture, de sorte qu'en disposant les spires 4', 5' suivant une circonférence lesdites ouvertures se met- tant en coïncidence forment une activité annulaire. C'est à travers cette cavité annulaire que passe le noyau annulaire 2 composé de deux deminoyaux qui sont en contact l'un avec l'autre suivant le joint diamétral ayant la référence 6. Le noyau 2 est formé par enroulement d'une ban- de d'acier laminé à froid pour emplois électrotechniques. Pour obtenir le noyau 2 de qualité voulue, l'enroulement se fait au moyen d'une bande d'une largeur allant jusqu'à 110 mm. Pour que la largeur nécessaire du noyau 2 soit atteinte, il est constitué de plusieurs noyaux enroulés annulaires identi- ques 2' (figure 2) serrés à l'aide de tiges 7 (figures 1 et 2) qui sont disposées en une rangée par rapport à l'axe du trans- formateur annulaire. Les noyaux enroulés 2' sont assemblés en un seul noyau 2 au moyen d'une virole commune 8. Les trous dans les spires 4', 5' ont été réali- sés de façon telle que, dans chaque spire, la dimension radia- le du secteur situé plus près de l'axe du transformateur soit plus grande que la dimension radiale-du tronçon périphérique de la spire. Ceci permet de décaler le centre géométrique 1 des spires, par rapport au centre géométrique 02 (figure 3) du noyau 2 dans le plan de section transversale de ce dernier. On constate que le centre géométrique 02 du noyau 2 dans le plan de sa section se trouve toujours plus loin de l'axe du transformateur que le centre géométrique 1 de chaque spire. Chacune des sections de transformateur 3 (figu- re 1) se compose d'une spire 5' du secondaire 5 avec les deux côtés latéraux de laquelle les spires 4' faisant partie du primaire sont en contact. Les spires 4' du primaire 4 sont réu- nies entre elles en série et reliées rigidement à l'aide de barrettes 9 passant au-dessus de la spire 5' du secondaire 5. Toutes les spires sont isolées l'une de l'autre à l'aide d'un isolant 10, chacune des sections de transforma- teur étant remplie de compound époxyde. L'origine du primaire 4 de chacune-des sections 3 est réunie en série avec l'extrémité de l'enroulement 4 de la section suivante la plus proche au moyen d'une barrette 11 (figure 1). Les sections de transformateur assemblées en anneau sont enserrées dans une gaine 12. Les sorties 13 des spires 4' faisant partie du primaire 4 sont couplées au réseau d'alimentation électrique (figures 1 et 3). Pour transmettre le courant de soudage du trans- formateur à l'objet à souder sont prévus, sur le bout de cha- cune des spires secondaires 5' (figure 2) des segments de con- tact 14 et 15 qui à leur tour sont en contact respectivement avec des bagues de contact 16 et 17 communes pour toutes les spires secondaires 5'. Aux bagues de contact 16, 17 sont cou- plées des barres flexibles reliées à des frotteurs de contact (non représentés) de la machine à souder. Chacune des spires 5' faisant partie du secon- daire 5 est pourvue d'un canal 18 longitudinal (par rapport à l'axe du transformateur) réservé à la circulation d'un fluide de refroidissement par exemple de l'eau. L'une des bagues de contact, en l'occurence la bague intérieure 16, comporte deux canaux collecteurs desti- nés a être reliés respectivement aux conduits d'amenée et d'é- vacuation de l'eau de refroidissement et communiquant d'autre part avec les canaux pratiqués dans les secondaires 5. Comme on le voit à la figure 2, l'eau de refroidissement arrive, à travers le conduit d'amenée (non représenté), et à travers un orifice d'entrée 19 dans une encoche, ou gorge, semi-annulai- re 20 exécutée-sur la surface de la tige 1. Quittant cette en- coche semi-annulaire 20 l'eau emprunte des canaux radiaux 21 pratiqués dans la bague de contact intérieure 16, passe à travers des orifices 22 du segment de contact 14 pour gagner le canal correspondant 18 de la spire 5' faisant partie du secondaire 5, c'est-à-dire que l'eau arrive dans un nombre de spires qui est la moitié du nombre total des spires 5t fai- sant partie des secondaires 5 (figure 4). La seconde bague de contact qui est dans ce cas la bague extérieure 17 (figure 2) possède un canal annulaire 23 en communication avec le canal 18 des spires 5' des secon- daires 5. Sortie du canal 18 de la spire 5' du secondaire 5 l'eau passe à travers des orifices 24 du segment de contact vers le canal annulaire 23 puis, arrivée aux orifices 24 du segment de contact 15 des sections de transformateur 3 cor- respondant à la seconde moitié du nombre total des sections de transformateur 3 (figure 4) parvient à chacun des canaux 18 de la spire 5' du secondaire 5 de ces sections de trans- formateur 3. Passant à travers les orifices 22 dans le segment 14 et à travers les canaux radiaux 21 l'eau arrive dans une encoche, ou gorge, semi-annulaire 25 et est ensuite évacuée à travers un orifice de sortie 26 auquel est couplé un conduit d'évacuation (non représenté). Comme on le voit d'après la description et les dessins annexés, le canal collecteur à relier au conduit d'a- menée est constitué par l'orifice d'entrée 19, l'encoche semi- annulaire 20 et les canaux radiaux 21, tandis que le canal collecteur à coupler au conduit d'évacuation est formé par les canaux radiaux 21, l'encoche semi-annulaire 25 et l'oriúi- ce de sortie 26. On voit donc que l'eau de refroidissement arrive au canal 18 des spires 5' et qu'elle en est évacuée par l'intermédiaire d'une même bague de contact 16. Bien entendu, l'invention n'est nullement limi- tée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exé- cutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Transformateur annulaire pour soudage en bout par résistance comprenant un noyau annulaire entouré de sections de transformateur ayant chacune un primaire et un se- condaire soumis à refroidissement ainsi que des segments de contact, caractérisé en ce que les spires du primaire (4) et du secondaire (5) présentent, dans la section transversale du transformateur, l'aspect d'un secteur, les côtés latéraux des spires (4?) du primaire étant adjacents aux côtés latéraux de chacune des spires (5') du secondaire, les spires des enroule- ments ayant des ouvertures constituant une cavité annulaire a travers laquelle passe le noyau annulaire (2), le centre géo- métrique(01) de chaque enroulement étant décalé par rapport au centre géométrique (02) du noyau dans le plan de la section transversale de ce dernier de façon telle que le centre géomé- trique du noyau soit éloigné de l'axe du transformateur, ceci pour niveler la densité de courant dans les enroulements- 2 - Transformateur annulaire selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que chaque spire (5') du secondai- re (5) est doté d'un canal (18) réservé à la circulation d'un fluide de refroidissement, le transformateur contenant en plus deux bagues de contact (16, 17) dont l'une a deux canaux col- lecteurs destinés à être reliés respectivement aux conduits d'amenée et d'évacuation du fluide de refroidissement et com- muniquant d'autre part avec les canaux pratiqués dans les se- condaires, la seconde bague (17) ayant un canal annulaire (23) communiquant avec les mêmes canaux réalisés dans les secondai- res de sorte que le fluide de refroidissement est amené à un nombre d'enroulements correspondant à la moitié du nombre to- tal d'enroulements et qu'il est évacué de la seconde moitié desdits enroulements. 3 - Transformateur annulaire selon l'une des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que le noyau annulaire (2) est constitué par des bandes métalliques enroulées annu- laires individuelles serrées radialement par des tiges (7).