Brevet FR2548822A1 — publié le 19850111

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN BOBINAGE ELECTRIQUE A NOYAU MAGNETIQUE EN FER ET INDUCTEUR OU TRANSFORMATEUR MUNIS D'UN TEL DISPOSITIF L'invention concerne un dispositif de refroidissement de bobi nages entourant des noyaux de fer, notamment des noyaux feuil levés, composes de tales laminées juxtaposees, tels que ceux utilisés s dans des transformate: et des inducteurs (1'selfs de choc" ou "self-inductances") du type devant travailler aux basses et aux moyennes fréquences (de 56 Hz à 1000 Hz et 1000 Hz à 100 kHz, respectivement) avec des puissances élevées. Comme les pertes par hystérésis et par courants de Foucault (tourbillonaires) dans le noyau et par effet de peau dans les bobinages augmentent rapidement avec la fréquence, de tels dispositifs de refroidissement sont utiles notamment dans ies convertisseurs ou les commutateurs statiques de puissance, tels que des hacheurs ou des onduleurs travaillant à des fréquences allant dun kilohertz à une centaine de kilohertz pour les transformateurs et les inductances, notamment celles des circuits résonnants série et/ou parallèle, de protection contre les taux de montée des courants dans les éléments de commutation électronique {.transistors et thyristors de puissance) et de cellules de filtrage (LC) pour redresseurs, par exemple.Les onduleurs utilisés notamment en traction électrique nécessitent des dispositifs de refroidissement qui permettent de reduire leur encombrement par rapport aux dispositifs analogues de l'état de la technique à circulation d'air forcée (ventilateur) ou à l'huile statique ou circulante, Le refroidissement à l'huile augmente l'encombrement des bobinages à noyau feuilleté et celui à l'air nécessite la circulation à grande vitesse dans des canaux entre le bobinage et le noyau, un filtrage pour éliminer les poussières et des ventilateurs puissants à consommation électrique élevée. L'utilisation de l'eau circulante permet une meilleure évacuation de calories, par exemple, dans des conducteurs électriques creux du bobinage ou dans des canaux de refroidissement du noyau. Toutefois l'eau industrielle non-déminéralisée n'est pas un isolant parfait et, par conséquent, il peut se produire des courants électriques de fuite importants vers la terre ou masse à laquelle sont réglementairement reliées les pompes, ainsi que le noyau. En outre, à l'intérieur du bobinage qui est soumis à des différences de potentiel importantes, cette eau impure peut donner lieu à des phénomènes d'électrolyse qui peuvent entraîner l'oxydation rapide de certaines parties des tubes de cuivre et/ou le bouchage partiel des canaux intérieurs. Il a été proposé d'utiliser des spires ouvertes indépendantes en tubulure métallique parcourues par l'eau, qui, s'il n'est pas soumis au potentiel électrique, donne cependant lieu au phénomène d'électrolyse précité dû notamment aux tensions induites par les variations du flux magnétique alternatif qu'elles entourent. L'invention permet d'éviter les inconvénients de la solution précitée, en diminuant considérablement les tensions induites sous Influence du champ magnétique alternatif dans le circuit de refroidissement à circulation d'eau, par une disposition particulière de celui-ci, tout en conservant un refroidissement efficace du ou des bobinages et du noyau Suivant l'invention, un dispositif de refroidissement d'un bobinage à noyau ferromagnétique feuilleté, tel que celui d'un inducteur ou d'un transformateur, est principalement caractérisé en ce qu'il comporte, inséré entre la face intérieure du bobinage et le pourtour extérieur du noyau qu'il entoure, des nappes de tubes métalliques disposés en contact avec au moins certaines des faces de ce pourtour, de manière sensiblement équidistante et orientés parallèlement à l'axe commun du bobinage et du noyau et, par conséquent, également à la plupart des lignes de flux magnétique, ces tubes étant hydrauliquement raccordés par leurs extrémités, directement ou indirectement, à un circuit d'un fluide de refroidissement, afin que celui-ci y circule. Un autre objet de l'invention est constitué par un composant bobiné de puissance, tel qu'un transformateur ou un inducteur, comprenant au moins un dispositif de refroidissement selon le paragraphe précédent. L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses objets, caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit et des dessins annexés, donnés à titre d'exemple, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un bobinage à noyau feuilleté, muni d'un dispositif de refroidissement selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'un bobinage à noyau feuilletez muni d'un dispositif de refroidissement selon un second mode de réalisation de l'invention - la figure 3 est une vue en plan dgun élément du dispositif selon le premier mode de réalisation de l'invention ;; - la figure 4 est une vue en plan d'un élément du dispositif selon le second mode de réalisation de l'invention; la figure 5 montre une coupe transversale à travers un - bobinage muni d'un dispositif de refroidissement selon l'un ou l'autre des deux modes de réalisation - les fissures 6A, E et C montrent schématiquement n coupe transversale partielle, diverses autres variantes de réalisation possibles du dispositif de refroidissement de l'invention 9 et - la figure 7 illustre schématiquement, de façon éclatée, le mode d'interconnexion préféré des éléments du second mode de réalisation de la figure 4. Tes mêmes éléments ont été désignés par le même chiffre de reperde sur toutes les figures. Sur la figure 1, représentant le premier mode de réalisation de l'invention, on a illustré un bobinage 1 enrobé d'isolant et, emmanché sur un noyau ferromagnétique feuilleté 2 avec insertion entre le pourtour intérieur du bobinage 1 et toutes les faces extérieures du noyau 2 de section carrée, des nappes 4 de tubes métalliques 3, parallèles à l'axe commun du noyau 2 et du bobinage 1. Les extrémités des tubes 3 émergeant du-dessous du bobinage 1 sur chaque côté sont interconnectés, deux par deux, par des joints ou sections tubulaires transverses 5, afin de former un serpentin 6 respectivement muni sur chaque extrémité d'un embout tubulaire 7 taraudé pour son interconnexion avec les autres nappes 4 en serpentin 6 et/ou avec le circuit du fluide réfrigérant (eau). Ces sections transverses 5 d'interconnexion, lorsqu'elles sont métalliques, assurent au serpentin 6 simultanément une continuité hydraulique et électrique. Une telle nappe 4 en serpentin 6 qui constitue un élément du dispositif de refroidissement a été représentée en plan sur la figure 3. L'entrée et la sortie de l'eau ont été respectivement representées par des flèches Wi et WO. Le sens de la circulation de l'eau dans les tubes 3 a été représenté par des flèches inscrites, non désignées. On peut remarquer ici que les joints tubulaires transersaux d'interconnexion hydraulique 5 des extrémités voisines respectives de deux tubes de refroidissement métalliques 3 parallèles, peuvent être réa isés en un matériau isolant électrique pour éviter la continuité électrique du serpentin de refroidissement. Dans ce cas et lorsque ce. joints isolants ne sont pas réfractaires (tuyaux de caoutchouc ou de matière plastique gainés ou non), il est préférable de les écarter de la paroi extérieure du noyau magnétique en recourbant les deux extrémités des tubes de refroidissement 3. Ces nappes 4 en serpentin 6 peuvent être raccordées au circuit hydraulique en série ou en parallèle. Le principal avantage des tubes à refroidissement 3 qui sont parallèles à l'axe commun du bobinage 1 et du noyau 2 entre lesquels ils sont insérés, est que le flux magnétique alternatif engendré par le bobinage 1 y est surtout axial et circonscrit par chaque pourtour de tube, ce qui implique qu'il ne provoque dans les tubes que des courants sensiblement circonférentiels occasionnant des pertes pratiquement négligeables par rapport à celles du bobinage et du circuit magnétique. Sur la figure 2, on a représenté un bobinage 1 sur un noyau feuilleté 2, avec un second mode de réalisation du dispositif de refroidissement. Dans celui-ci, les tubes 3 recouvrant l'une des faces du noyau 2 sont connectés hydrauliquement (et, éventuel- lement, électriquement3 ci parallèle par des pièces de raccordement 8 respectifs de chaque tube 3 vers un cana3 unique 9 qui aboutit à un embout tubulaire taraudé 10 pour l'interconnexion avec une nappe 40 voisine ou avec le circuit d'eau extérieur. La figure 4 montre en plan une nappe 40 de tubes 3 connectés en parallèle par des pièces 8, permettant un plus fort débit de fluide que la nappe 4 en serpentin 6 ce qui est utile pour des puissances plus élevées. Il est à remarquer ici que es différentes nappes 40 des figures 2 et 4 comme celles 4 des figures 1 et 3 neuvent être hydrauliquement cor.nectées en série ou en parallèle, par des joints tubulaires flexibles ou rigides, isolants (en caoutchouc naturel ou syn-. thétique, par exemple) ou conducteurs (non-représentes). En outre ces tubes 3 dans chaque nappe 4 ou 40 sont, de préférence, disposés de rnanière sensiblement équidistante. La figure 5 montre une coupe transversale à travers le bobinage i, le noyau 2 et les nappes 4 ou 40 de tubes parallèles 3 de section rectangulaire, insérées entre les deux. On y voit également une feuille de matériau diélectrique de faible épaisseur 11 (tel qu'un polyamide aromatique ou polyaramide commercialisé par le société US "DU PONT DE NEM3URS" sous les margues déposées de "KEVLAR" ou "NOMEX") qui entoure la nappe ss ou 40 de tubes de refroidissement 3 et l'isole de la couche interne du bobinage 1. On peut également utiliser des plaquettes ou plaques d'espacement et d'isolement plus épais, en un matériau isolant électrique mais bon conducteur thermique, tel que Oxyde de beryllium (Be2D33. Aux coins du circuit magnétique (noyau) 2, on peut insérer des barrettes isolantes d'espacement 12 dont les faces extérieures sont arrondies. Sur les figures GA à 6w, on a montré en coupe transversale partielle, différentes variantes de realisation des nappes 4 ou 40. Sur la figure GA on a montre qutil est possible d'utiliser des tubes de section circulaire 30 au prix d'une moindre efficacité, car leur surface de contact utile pour l'évacuation des calories par conduction, est plus réduite. Sur la figure GB, on a montré en coupe des tubes 30 de section circulaire alternant avec des barrettes ou bandes de matière isolante 31 de section rectangulaire. Ces barrettes 31 peuvent être réalisées en un matériau d électrique tel qu'un composé verre-époxy (fibres de verre noyées dans une résine époxyde) ou céramique (alumine), plus coûteux. On peut également utiliser un matériau isolant ferromagnétique tel qu'un ferrite à granulométrie faible ou en oxyde de fer, pour réduire le flux de fuite résultant de l'espacement entre le bobinage 1 et le noyau 2. La figure 6C montre une coupe où des tubes 3 de section rectangulaire, avec l'un de leurs grands côtés adjacents aux faces du noyau 2 pour disposer d'une surface de contact maximale, alternent avec des barrettes 31. La figure 7 montre schématiquement un mode d'interconnexion hydraulique avantageux de nappes 40 du type à tubes connectés en parallèle. L'entrée d'eau W. étant connectée à l'embout supérieur de la nappe 41, son embout inférieur est connecté à celui de la nappe 42 par un tube de jonction 13. L'embout supérieur de la nappe 42 est connecté à celui de la nappe 43 et l'embout inférieur de celle-ci, à celui de la nappe 44 dont l'embout supérieur constitue la sortie d'eau Wo. Une telle interconnexion permet de réduire au minimum les tensions résiduelles induites par le flux de fuite, car elles sont irterconnectées en opposition de phase. On notera ci que l'on peut également utiliser d'autres fluides réfrigèranis, tels que l'huile ou le frelons. On remarquera également qu'il est possible de n'équiper que deux faces opposées du noyau 2 de nappes 4, 40 de tubes 3 de refroidissement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'un bobinage (1) à noyau (2) ferromagnétique feuilleté, tel que celui d'un inducteur ou d'un transformateur, caractérisé en ce qu'il comporte, inséré entre la face intérieure du bobinage (1) et le pourtour extérieur du noyau (2) qu'il entoure, des nappes (4, 4û) de tubes métalliques (3, 30) disposés en contact avec au moins certaines des faces de ce pourtour, de manière sensiblement équidistante et orientés parallèlement à l'axe commun du bobinage et du noyau et, par conséquent, également à la plupart des lignes de flux magnétique, ces tubes (3, 30) étant hydrauliquement raccordés par leurs extrémités, directement ou indJrectement, à un circuit d'un fluide de refroidissement, afin que celui-ci y circule. 2. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes (3) de chaque nappe (4) sont interconnectés à leurs extrémités adjacentes, deux par deux, par des joints tubulaires transversaux 3. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ces joints transversaux sont métalliques de façon à assurer simultanoment la continuité électrique et hydrau ligue du serpentin o. 4. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les joints transversaux (5) sont en matériau isolant de façon à assurer uniquement la continuité hydraulique du serpentin (6). 5. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la nappe 6. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les pièces de raccordement (8) sont métal liques. 7. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les pièces de raccordement (8) sont en matériau isolant. 8. Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce que les nappes (4, 40) sont interconnectées en série å l'aide de joints tubulaires et raccordées ainsi au circuit du fluide 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les nappes (4, 2;03 sont connectées en parallèle au circuit du fluide. 10. Composant bobiné à noyau feuilleté, tel qu'un inducteur à bobinage unique (1) ou un transformateur comportant plusieurs bobinages (1), caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins un dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications pré cédentes.