Brevet FR2495820A1 — publié le 19820611

Transformateur impulsionnel à excitation par choc. La présente invention concerne les dispositifs pour la génération des impulsions puissantes de haute tension, et plus particulièrement, les transformateurs impulsionnels à excitation par choc. L'invention peut s'utiliser avantageusement comme source d'alimentation des accélérateurs de particules chargées. On connait un transformateur impulsionnel, générateur d'impulsions haute tension, comportant un primaire et un secondaire coaxiaux, placés dans un boitier rempli de aaz. Le secondaire est enroulé sur un cylindre isolant servant d'isolateur d'appui. Le secondaire a son extrémité haute tension reliée à une électrode formant, avec le boitier, la capacité secondaire du transformateur. Ce transformateur connu présente une faible rigidité diélectrique du secondaire résultant des surtensions engendrées entre ses spires par les défauts à la terre des spires haute tension. On connait également un transformateur impulsionnel à excitation par choc comportant un primaire et un secondaire cylindrique multicouche, coaxial au primaire, enroulé sur un isolateur d'appui à- l'intérieur d'un boitier rempli de milieu isolant et relié à une sortie haute tension disposée dans l'axe du transformateur. Le secondaire est réalisé avec plusieurs conducteurs isolés au polyéthylène et formant une bobine plate à plusieurs couches cylindriques, isolées entre elles à titre supplémentaire avec des cales en polyéthylène. L'enroulement haute tension s'attache au boitier par l'intermédiaire d'un tube d'accélération et d'un support isolant supplémentaire faisant fonction d'isolateur d'appui. Dans ce mode de réalisation du transformateur Lm ulsionnel, la rigidité diélectrique du secondaire est plus élevée du fait qu'on a réduit quelque peu les surtensions entre les spires du secondaire en le rendant multicouche (la canacité iongitudinale du secondaire est augmentée). Pourtant, à cause d'une rigidité diélectrique irrégulière entre les couches de l'enroulement due à un facteur de couplage variable avec le rayon de l'enroulement et d'un tube d'accélération avec support isolant supplémentaire utilisé comme élément d'appui, ce transformateur impulsionnel se caractérise par une mauvaise fiabilité de l'enroulement haute tension. Un autre inconvénient à noter est que la fixation de l'extrémité haute tension du secondaire par l'intermédiaire du tube d'accélération est préjudiciable à la robustesse mécanique du transformateur. La présente invention-vise à mettre au point un transformateur impulsionnel à excitation par choc dont le secondaire et l'isolateur d'appui soient d'une technologie simple et confèrent au disnositif une fiabilité élevée. Le problème posé est résolu à l'aide d'un transformateur impulsionnel à excitation par choc comportant un primaire et un secondaire cylindrique, multicouche, coaxial avec le primaire, enroulé sur un isolateur d'appui à l'intérieur d'un boitier rempli d'un milieu di électrique et relié à une sortie haute tension disposée dans l'axe du transformateur, ledit transformateur étant selon l'invention caractérisé en ce que l'isolateur d'appui est en deux parties dont l'une est composée d'éléments cylindriques et l'autre d 'éléments circulaires plans, en ce que les éléments cylindriques sont coaxiaux au secondaire et ont pour fonction d'isoler entre elles les couches du secondaire, leur énaisseur et leur hauteur croissant vers le primaire, en ce que les éléments circulaires plans sont symétriques par rapport à l'axe du transformateur et à un plan perpendiculaire audit axe et passant par le centre du secondaire et en ce que les diamètres desdits éléments circulaires plans augmentent vers les têtes du secondaire avec la hauteur des éléments cylindriques de façon qu'une partie desdits éléments cylindriques se trouve en contact avec une nartie des éléments circulaires plans suivant les surfaces en escalier. I1 est utile que les éléments cylindriques possèdent une éDaisseur croissant comme avec le carré de leurs rayons. Il est souhaitable, en vue de réduire l'intensité du champ électrique autour des spires du secondaire proches du primaire, que la hauteur des couches du secondaire aille croissant vers le primaire sans dépasser la heuteur des éléments cylindriques. I1 est possible, pour des raisons de simplicité technologique, de diviser le secondaire selon l'invention en fractions comportant chacune plusieurs couches, reliées électriquement entre elles et placées chacune dans une gaine annulaire en matériau isolant remplissant le rôle d'élément cylindrique de l'isolateur d'apnui. Comnaré à ses prédécesseurs, le transformateur impulsionnel à excitation par choc selon l'invention présente une meilleure fiabilité. Le mode de réalisation du transformateur impulsionnel à secondaire fractionné permet de faciliter d'une manière significative la fabrication de l'enroulement multicouche tout en améliorant sa qualité. Dans ce qui suit, l'invention sera expliquée à laide de la description de modes de réalisation particuliers avec référence aux dessins annexés dans les- quel : - la figure 1 représente en coupe longitudinale un transformateur impulsionnel à excitation par choc avec un secondaire de hauteur constante ; et - la figure 2 représente en coupe longitudinale un mode de réalisation particulier du transformateur impulsionnel à excitation par choc avec un secondaire fractionné de hauteur variable. On va décrire ci-dessous le transformateur impulsionnel dont la charge est constituée par un accélérateur de particules (non figuré). Le transformateur impulsionnel à excitation nar choc proposé comporte un primaire cylindrique 1 placé coaxialement autour d'un secondaire 2. Le secondaire 2 est réalisé avec un fil de bobinage sous forme-de couches cylindriques multiples 3 reliées en série. Les couches 3 de l'enroulement haute tension 2 sont isolées entre elles avec des éléments cylindriques servant de cales 4 et constituées en matériau isolant, par exemple en napier pour condensateurs. Il faut noter à ce propos que l'épaisseur de l'isolement entre couches assuré par les cales 4 est variable et augmente, par exemple, comme le carré du rayon de l'élément cylindrique en direction du primaire 1 afin de conférer à l'isolement de l'enroulement haute tension 2 une rigidité diélectrique régulière. L'épaisseur va.- raible de l'isolement s'impose du fait que la tension entre les couches 3 du secondaire 2 augmente en direction du primaire 1 à cause de la croissance du facteur de counlage entre le primaire 1 et les couches 3 du secondaire 2. Pour que la rigidité diélectrique soit régulière a travers l'isolement de l'enroulement haute tension 2, on peut également réaliser ce dernier avec un nombre variable de spires dans chaque couche 3, tout en conservant constante l'épaisseur d'isolement entre les couches 3. Il est à remarquer de plus que la hauteur des cales 4 va croissant vers i'enrouleent 1 et que celles-ci dépassent smétriquement sur l'enrou- lement haute tension 2 de manière à jouer le rôle d'isolement de barrière. Les cales 4 représentent les éléments cylindriques d'isolateur d'appui haute tension.En vue de rigidifier l'isolateur d'appui, il est prévu, entre les cales 4 dans la tête de l'enroulement haute tension 2, des couches cylindriques 5 en un diélectrique elus rigide qui font augmenter la rigidité diélectrique de l'isolateur dans le sens radial. Il est à noter de plus que les couches diélectriques 5 forment les bords de l'enroulement cylindrique haute tension 2 de manière à en faire une bobine à plusieurs couches cylindriques. Les bouts des cales 4 et des couches diélectriques 5 prennent appui sur les éléments circulaires plats 6 en matériau isolant, par exemnle en papier pour condensateurs, pour former les interfaces en marches d'escalier 7 entre la partie constituée par les éléments cylindriques et les parties composées d'éléments circulaires plats 6 de l'isolateur d'appui 6 de l'enroulement 2.Les éléments circulaires plats 6 sont symétriques par rapport à l'axe du transformateur et à un plan perpendiculaire audit axe et passant par le centre du secondaire 2. Les diamètres des éléments circulaires 6 vont croissant avec la hauteur des éléments cylindriques servant de cales 4 et des couches 5 en direction des te tes du secondaire. L'isolateur d'appui de l'enroulement haute tension 2 contient ainsi une partie en éléments cylindriques et deux parties frontales symétriques en éléments circulaires plats 6. Ainsi conçu, l'isolateur d'appui a une rigidité diélectrique sensiblement accrue à cause d'une répartition plus régulière de tension dans les sens radial et axial tout comme une robustesse mécanique meilleure. L'extrémité haute tension de l'enroulement haute tension 2 aboutit à une électrode haute tension 8 en matériau transparent au flux magnétique alternatif. L'électrode haute tension 8 qui est un corps de révolution, symétrique par rapport aux enroulements primaire et secondaire 1 et 2, respectivement, dans le sens vertical et horizontal, se place autour d'une bobine supplémentaire 9 en couplage magnétique avec les enroulements 1 et 2 du transformateur et servant à alimenter le système de chauffage et de commande lo du canon électronique d'un accélérateur (non figuré). Le système de chauffage et de commande 10 du canon électronique peut également être extérieur à l'électrode 8. La sortie de la tension s'effectue par un câble haute tension îl disposé dans l'axe du transformateur. Toutes les pièces du transformateur, sauf le primaire 1, sont placées dans un boitier étanche 12 en matériau isolant, rempli d'un milieu isolant, par exemple, d'huile pour transformateurs L'électrode 8 constitue avec le bolier 12 et le câble 11 la capacité secondaire du transformateur. Le boltier 12 est recouvert intérieurement d'un blindage métallique mince 13, transparent au flux magnétique et porté au potentiel zéro. En vue de neutraliser la dilatation volumique du diélectrique due aux effets thermiques et aux perforations aléatoires ou d'entrainement, les couvercles 14 du boitier 12 comportent des éléments de compensation 15 à faible rigidité reliés à l'air libre. Dans le mode de réalisation particulier du transformateur représenté à la figure 2, la hauteur des couches 3' du secondaire 2 subit une croissance vers le primaire 1 tout en restant limitée à celle des éléments cylindriques 4 de l'isolateur d'appui. Il est à remarquer de plus que dans ce mode de réalisation particulier, le secondaire 2 se compose de fractions 16 constituées chacune nar plusieurs couches 3', reliées électriquement entre elles et contenues chacune dans une gaine isolante annulaire 17 de section rec tangulaire. Les couches 3' de l'enroulement haute tension -2 sont isolées entre elles avec les cales 4 en matériau isolant, par exemple, en papier pour condensateurs.En vue de former les têtes de l'enroulement 2, il y a entre les cales 4 des couches cylindriques isolantes 5 en un diélectrique plus rigide qui se situent entre les spires extrêmes desdites couches 3' de l'enroulement 2 et les brides de la gaine isolante 17. Les bouts des gaines 17 reposent sur les couches circulaires plates 6 de manière à former les interfaces en marches d'escalier 7. Les gaines isolantes 17 servent, à côté des cales 4 et des couches isolantes 5, d'éléments cylindriques de l'isolateur d'appui de l'enroulement 2. Le transformateur impulsionnel fonctionne de la façon suivante. Le condensateur chargé du circuit primaire (invisible à la figure 1) est branché par un commutateur sur le primaire l. L'effet en est l'apparition d'impulsions haute tension dans le secondaire 2 mis en résonance avec le primaire (facteur de couplage moyen K = 0,6). Ces impulsions viennent par le cable haute tension 11 sur le canon électronique. Pour un facteur de couplage K = 0,6, on arrive à transmettre au circuit secondaire la presque totalité de l'énergie accumulée dans le circuit primaire et à avoir le meilleur rapport des amplitudes des demi-ondes positive et négative ainsi que l'amplitude maximale de la demi-onde négative sur laquelle travaille l'accélérateur de particules alimenté par le transformateur impulsionnel. Lorsque K La bobine supplémentaire 9 couplée par induction mutuelle aux enroulements 1 et 2 du transformateur induit la tension nécessaire pour l'alimentation du système de chauffage et de commande 10 du canon élec tronque La haute tension du secondaire 2, anpliquée aux éléments de l'isolateur d'appui haute tension, se répartit régulièrement dans les sens axial et radial grâce au fractionnement de celui-ci. La tension entre les couches 3 de l'enroulement haute tension 2 est répartie en fonction du facteur de couplage qui va croissant vers le primaire. L'effet en est que la rigidité diélectrique entre les couches 3 a une répartition régulière du fait que l'isolement entre celles-ci est d'une épaisseur variable. Le fait que la hauteur des couches 3' (figure 2) croit en direction du primaire 1 permet d'améliorer la fiabilité du transformateur en rendant régulier la répartition dans le sens axial de la tension dans l'isolement, étant donné que l'espacement entre les spires extrêmes des couches 3' de l'enroulement 2 et les blindages supérieurs et inférieurs mis à la terre 13 du boitier 12 tout comme le potentiel sur les têtes courbes de l'enroulement 2 augmentent vers l'axe du transformateur. D'autre part, la division du secondaire 2 en fractions 16, placées dans les gaines isolantes 17, et l'insertion des couches isolantes cylindriques 5 en diélectrique rigide entre les spires extremes des couches 3' de l'enroulement 2 et les brides des gaines isolantes 17 offrent la possibilité d'au- menter la fiabilité du transformateur par le fait d'une meilleure formation des têtes de l'enroulement 2. La fabrication de l'enroulement multicouche 2 en devient plus aisée, étant donné qu'il est beaucoup plus facile de bobiner les bobines particulières en fixant les spires extremes par les couches isolantes cylindriques 5. Avec un tel mode de réalisation du secondaire 2, il est plus facile également d'assurer une valeur-opti- male au facteur de couplage moyen (KN,,,, 0,6) et d'augmenter la tension de sortie. On sait qu'avec un secondaire multicouche, le facteur de couplage dans les couches de l'enroulement des transformateurs Tesla diminue vers le primaire, aussi le choix optimal du nombre de spires dans les couches du secondaire permettra-t-il d'avoir, dans un volume donné, un facteur de couplage proche de 0,6 et d'augmenter la tension de sortie en augmentant le nombre de spires du secondaire. REVENDICATIONS 1. Transformateur impulsionnel à excitation par choc comportant un primaire et un secondaire multicouche cylindrique, coaxial au primaire, placé sur un isolateur d'appui à l'intérieur d'un boitier rempli d'un milieu isolant et relié à une sortie haute tension disposée dans l'axe du transformateur, caractérisé par le fait que l'isolateur d'appui est en deux parties dont l'une est composée d'éléments cylindriques et l'autre, d'éléments circulaires plats, que lesdits éléments cylindriques se situent coaxialement au secondaire, qu'ils font fonction d'isolement entre coùches du secondaire, leur épaisseur et leur hauteur croissant en direction du primaire, que les éléments circulaires plats sont symétriques par rapport à l'axe du transformateur et à un plan perpendiculaire audit axe et passant par le centre du secondaire et que leurs diamètres vont croissant vers les te tes du secondaire avec la croissance de la hauteur des éléments cylindriques de manière qu'une partie desdits éléments cylindriques se trouvent en contact avec une partie des éléments circulaires plats suivant des surfaces en escalier. 2. Transformateur impulsionnel à excitation par choc selon la revendacation 1, caractérisé par le fait que l'épaisseur des éléments cylindriques croit comme le carré de leurs rayons. 3. Transformateur impulsionnel à excitation par choc selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les couches du secondaire ont une hauteur croissant vers le primaire sans dépasser celle des éléments cylindriques. 4. Transformateur impulsionnel à excitation par choc selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le secondaire est divisé en fractions composées chacune de plusieurs couches, reliées électriquement entre elles et placées dans une gaine annulaire en matériau isolant faisant fonction d'élément cylindrique de l'isolateur d'appui.