Brevet FR2464543A1 — publié le 19810306

L'invention concerne un accumulateur d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire, avec au moins un enroulement, un aimant permanent étant disposé dans l'entrefer et son flux magnétique étant dirigé à l'inverse du flux magnétique produit par le courant continu qui passe dans la bobine. L'accumulation d'énergie électrique dans des champs magnétiques trouve des applications de plus en plus nombreuses dans de multiples domaines de l'électrotechnique. Des bobines de self accumulatrices pour éléments de réseau de commutation possèdent de faibles énergies d'accumulation, de l'ordre de grandeur de 0,1 à 5 mjoules, et elles fonctionnent à des fréquences allant jusqu'à 40 z environ; des bobines d'allumage dans des véhicules automobiles ont déjà besoin d'énergies d'accumulation plus élevées de 50 à 15D mjoules; des bobines de self utilisées dans des régulateurs de courant continu de l'électronique de puissance, qui servent par exemple à la commande de moteurs à courant continu, ont des énergies d'accumulation encore plus grandes de 1000 à 10 000 mjoules et davantage. L'énergie W = 1/2 . L . I2 accumulée essentiellement dans l'entrefer d'un tel accumulateur d'énergie est proportionnelle à l'inductance et au carré du courant. Etant donné que l'in- tensité du courant est fixée a priori par les conditions particulières de l'application considérée, on ne peut faire varier l'éner-. gie qu'il est possible d'accumuler dans une bobine de sel déterminée qu'en agissant sur l'inductance. C'est pourquoi le problème essentiel, dans la mise au point d'accumulateurs d'énergie magnétique, est l'établissement de l'inductance L. Les facteurs déterminants pour la valeur de l'inductance L sont le nombre de spires n de la bobine, qui intervient quadratiquement, ainsi que la surface d'entrefer Ftet la longueur d'entrefer tt. A partir de ces grandeurs déterminantes, on calcule l'inductance L d'après la formule L = uO . n2 . Ft/Lt. Pour obtenir un rapport optimal B de l'entrefer, on fabrique en règle générale la majeure partie de la bobine de self en une matière possédant une conductivité magnétique élevée que l'on utilise jusqu'à la limite de saturation. En raison de la saturation de la matière magnétique, l'augmentation de l'inductance et, par suite, l'accroissement de la capacité d'accumulation peuvent être obtenus, non pas en réduisant la longueur de l'entrefer, mais seulement en augmentant la section transversale du noyau. La capacité d'accumulation d'accumulateurs d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire est en outre amoindrie par le fait que la matière magnétique n'est attaquée qu'unilatéralement. Pour cette raison, une boucle d'hystérèse en cas de magnétisation par impulsions a une allure différente de celle que l'on obtient en cas de magnétisation alternative. Le début de la boucle d'impulsons est le point de rémanence sur la boucle d'hystérèse, point qui s'établit après l'application d'une ou de plusieurs impulsions. En cas de magnétisation périodique par impulsions, une boucle s'étendra entre le point de rémanence et le point de saturation. L'écart entre induction rémanente et induction de saturation correspond à l'excursion d'induction qui peut être atteinte au maximum et qui représente de son c8té une mesure en ce qui concerne l'énergie susceptible d'être accumulée au maximum. Certes, il est possible, par le choix de matières magnétiques appropriées et par un grand entrefer, d'abaisser le point de rémanence et de parvenir de la sorte à une excursion plus grande de l'induction. Mais en dépit de toutes ces mesures, l'excursion de l'induction est inférieure à la moitié de l'excursion d'induction qui existe en cas de magnétisation par courant alternatif. La présente invention a pour but d'accroître dans une mesure notable la capacité d'accumulation d'un accumulateur d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire. Ce bcctest affeint par le fait que 1 'aimant permanent bemWiun entrefer disposé obliquement, par le fait en outre que le noyau est pré-magnétisé jusqu'à la saturation par l'aimant permanent et par le fait que l'aimant permanent est fait d'un alliage de terres rares et de cobalt, par exemple SE-CO5. il en résulte ces avantages que l'excursion de l'induction peut être plus que doublée par rapport à un accumulateur d'énergie sans aimant permanent, ce qui fait que la capacité d'ac cumulation en ce qui concerne l'énergie magnétique est elle aussi plus que doublée et qu'ainsi il est possible de parvenir, soit à une puissance d'accumulation plus que doublée sans modification des dimensions, soit à une diminution appréciable des dimensions sans modification de la puissance d'accumulation. Certes, on savait déjà que, dans le cas de translateurs d'impulsions utilisés dans la technique des communications électriques, de même que dans le cas de bobines de self et de bobines d'allumage, on peut parvenir à une augmentation de l'excursion des impulsions et, par suite, de la tension secondaire par une prémagnétisation du noyau magnétique avec un champ continu. Dans le cas présent, l'aimant permanent remplit complètement l'entrefer. De cette manière, le flux total de courant magnétique produit par l'aimant permanent sert à la pré-magnétisation du noyau magnétique. De préférence, l'aimant permanent est choisi de telle manière qutil pré-magnétise le noyau magnétique jusqu'à la saturation. On dispose de la sorte de I'excurson maximale possible de l'induc- tion et, par suite, de la capacité maximale possible d'accumulation. D'après un développement préféré de l'invention, le noyau qui est fait de t81e électrique à grains orientés se compose de deux moitiés symétriques et présente une section en M, l'entre- fer étant disposé obliquement dans la branche du milieu. Tandis que la position inclinée de l'entrefer est sans influence sur le flux magnétique produit par la bobine, on peut mettre en oeuvre un aimant permanent d'autant plus grand que la position inclinée est plus prononcée. De cette manière, les propriétés de l'aimant permament et du noyau magnétique peuvent être adaptées les unes aux autres. Par ailleurs, l'invention prévoit que les enroulements secondaire et primaire soient enrobés en commun dans une résine époxy à deux éléments, par coulée sous vide ou par eneastrement par injection. L'invention va être expliquée de façon plus détaillée à l'aide des dessins ci-annexés, à propos d'un exemple de réalisation relatif à un système à trois branches. Cette explication est également valable pour n'importe quel autre système magnétique. La figure 1 représente en perspective un accumulateur d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire. La figure 2 reproduit la courbe d'hystérèse relative à une matière magnétique ferromagnétique. Sur la figure 1, on distingue un noyau de fer à trois branches du commerce qui se compose de deux moitiés symétriques 1, 2 fabriquées en t81e électrique à grains orientés. Les deux moitiés de noyau 1, 2 peuvent être séparées le long de la ligne de joint 3. Dans la branche du milieu 9 se trouve un entrefer oblique 4. Dans l'entrefer 4 est inséré un aimant permanent 5. Grâce à la disposition oblique de l'entrefer 4 et de l'aimant permanent 5, il est possible de choisir pour l'aimant permanent 5 des dimensions plus grandes que ce qui correspond à la largeur de la branche du milieu 9. Sur la branche du milieu 9 se trouve par ailleurs une bobine 6 formée par enroulement de fil de cuivre, bobine à travers laquelle est envoyé un courant continu pulsatoire.Le flux magnétique produit par l'aimant permanent 5 est indiqué par une ligne discontinue 7, tandis que le flux magnétique produit par le courant continu qui passe dans la bobine 6 est représenté par une ligne discontinue 8. On peut voir que le sens du flux magnétique 7 produit par l'aimant permanent 5 est l'inverse de celui du flux magnétique produit par la bobine 6. Par le choix d'un aimant 5 approprié, on peut éviter que le champ magnétique produit par la bobine 6 ne nuise aux caractéristiques magnétiques permanentes de l'aimant 5. il a été constaté que des aimants permanents à base d'oxydes de cobalt et de terres rares ne pouvaient pas être démagnétisés, même par des champs inverses intenses. On se réfèrera à la figure 2 pour expliquer le mode de fonctionnement de l'invention. On distingue deux courbes d'hystérèse I, II dans un système de coordonnées rectangulaires sur lequel on a porté en abscisses l'intensité de champ H et en ordonnées l'induction B. Une bobine de self de type classique se trouve au point de rémanence R après plusieurs impulsions de courant continu et sans qu'un courant ne passe à travers la bobine. Dès qu'une nouvelle impulsion de courant continu passe à travers la bobine, produisant une.excursion de l'intensité de champ de grandeur AH1, la magnétisation du noyau croit suivant la courbe d'hystérèse II jusqu'au point de saturation S, où l'intensité de champ de saturation +HS et l'induction de saturation +BS s'étàblissent. Dès que le courant dans la bobine redisparatt, la courbe d'hystérèse II suit la branche supérieure pour revenir au point de rémanence R.On peut voir immédiatement qu'en dépit de la grande excursion de l'intensité de champ dH1, il n'est suivi qu'une petite excursion d'inductionB1. D'après cela, une bobine de self de ce genre n'a également qu'une faible capacité d'accumulation pour l'énergie magnétique. Par la mise en place d'un aimant permanent dans l'en- trefer, le noyau magnétique réalisé sous une forme appropriée est préagnétisé, par exemple jusqu'à son point de saturation négative T où s'établissent l'intensité de champ de saturation négative Hs et, par suite aussi, l'induction négative -B. A ce moment, dès qu'une impulsion de courant passe à travers la bobine, la courbe d'hystérèse I suit la branche inférieure à partir du point T, en passant par le point U vers le point V et, de là, vers le point S. Dès que le courant dans la bobine redisparaît, la courbe d'hystérèse I suit la branche supérieure à partir du point de saturation positive S, passant par le point de rémanence R vers le point coercitif K, pour revenir au point de saturation négative T.On voit immédiatement que l'excursion d'intensité de champt H2 est doublée par rapport à l'excursion d'intensité de champ1 , c'est- à-dire qu'il faudrait appliquer le double de courant. Mais on peut également voir que l'excursion d'induction t B2 qui s'établit dans ces conditions est plus que doublée par rapport à l'excursion d'in duction #B1; dans l'exemple présent, elle serait 4,5 fois plus grande. Certes, les pertes produites par l'inversion de magnétisation dans le noyau magnétique augmentent également, comme on peut le constater en comparant les surfaces délimitées par les courbes d'hystérèse I et II. Mais étant donné qu'en raison de l'insertion d'un aimant permanent dans l'entrefer, le volume de matière magnétique du noyau peut être réduit, pour une capacité d'accumulation donnée, dans la même mesure qu'augmente l'excursion d'induction, les pertes du noyau restent au total pratiquement constantes. Pour l'isolation de la tension, les enroulements primaire et secondaire sont enrobés en commun dans une résine époxy à deux éléments par coulée sous vide ou par encastrement par injection. - REVENDICATIONS 1.- Accumulateur d'énergie magnétique pour courant continu pulsatoire, et notamment bobine d'allumage, se composant d'un noyau magnétique à entrefer muni d'au moins un enroulement, un aimant permanent étant disposé dans l'entrefer et son flux magnétique étant dirigé à l'inverse du flux magnétique produit par le courant continu qui passe dans la bobine, caractérisé en ce que l'aimant permanent 5 remplit un entrefer 4 disposé obliquement, en ce que le noyau 1, 2 est pré-magnétisé jusqu la saturation par l'aimant permanent 5 et en ce que l'aimant permanent 5 est fait d'un alliage de cobalt et de terres rares, par exemple SE-CO . 2.- Accumulateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau, fabriqué en tole électrique à grains orientés, se compose de deux moitiés symétriques 1, 2 et présente une section en M, l'entrefer 4 étant disposé obliquement dans la branche du milieu 9. D.- Accumulateur d'énergie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les enroulements secondaire et primaire sont enrobés en commun dans une résine époxy à deux éléments par coulée sous vide ou encastrement par injection.