Brevet FR2561033A1 — publié le 19850913

La présente invention est relative à un transformateur électrique de toute puissance, monophasé ou polyphasé, et à son procédé de fabrication. On connaît les différentes façons de réaliser un transformateur 1 - soit, on commence par réaliser les enroulements électriques, puis on constitue le circuit magnétique autour des enroulements électriques. Ce procédé est celui qui est généralement utilisé en Europe. Son inconvé- nient essentiel réside dans la discontinuité du circuit magnétique (qui est réalisé, soit par enroulement de feuillard et découpe, soit par juxtaposi- tion de pièces découpées dans des feuillards), qui constitue un élément fortement négatif pour atteindre un rendement économique optimal. En outre, le matériau magnétique est sous utilisé; 2 - soit, on commence par réaliser le circuit magnétique, puis on bobine les enroulements électriques autour des circuits ainsi obtenus. Le bobi- nage peut être effectué à l'aide d'une machine à bobiner torique, mais cette technique est fort longue, et donc coûteuse, et elle est limitée par les capacités des machines actuellement disponibles. On peut également réaliser ce bobinage en faisant tourner un support cylindrique autour du circuit magnétique, en enroulant le fil ou la bande conductrice sur ce support. Cette technique présente un grand intérêt, mais son développe- ment se heurte à des difficultés de mise en oeuvre non encore surmon- tée s: la vitesse de bobinage reste faible, par suite du faible jeu support de bobinage/circuit magnétique, et de la difficulté à positionner et stabi- liser ces deux éléments, pour cette opération; 25. les entrées et les sorties des enroulements électriques posent des problèmes, notamment en ce qui concerne leur localisation, leur pas- sage au travers des fenêtres des circuits magnétiques lors du bobinage, et leur protection pendant cette même opération; le calage, qui est ensuite réalisé, des enroulements électriques sur le circuit magnétique, reste difficile, et il doit faire appel à des -systèmes mécaniques annexes, compliqués et coûteux. La tenue aux efforts dyna- miques, lors des court-circuits, de l'ensemble enroulements électriques- circuits magnétiques, vitale pour le transformateur, dépend de ce ca- lage. Par ailleurs, dans la mise en oeuvre des deux procédés examinés ci- dessus, les matériaux ne sont pas employés à leur capacité maximale. Ces procédés connus ne permettent donc pas de tendre vers le coût économique le plus faible, aussi bien en ce qui concerne la fabrication et l'exploitation des transformateurs ainsi réalisés que l'énergie consommée (pertes "Fer" dues au circuit magnétique, et pertes "Icuivre" dues aux enroulements). La présente invention se propose de remédier aux inconvénients exposés ci-dessus en apportant un transformateur pouvant être produit rapidement, avec un investissement de production considérablement plus faible que celui né- cessaire à l'heure actuelle, se traduisant, par conséquent, par une diminution importante des prix de revient, ce prix de revient étant encore abaissé par une réduction des coûlts de fabrication des enroulements électriques et des circuits mécaniques. Enfin, le transformateur objet de cette invention se caractérise par un coût d'exploitation faible, étant donné que l'invention se prête particu- lièrement bien à l'utilisation de matériaux amorphes, très peu voraces en éner- gie, tant pour leur fabrication que pour leur utilisation pour la réalisation des circuits magnétiques, ce qui permet, en particulier, d'obtenir des enroulements de faible poids, donc de faible consommation en énergie, en exploitation. Un transformateur selon. l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend: au moins un enroulement électrique, constitué d'un fil ou d'une bande d'un métal bon conducteur, tel que l'aluminium, enroulé autour d'une carcasse annulaire, et au moins un circuit magnétique, constitué d'au moins un circuit élémentaire, réalisé par enroulement de rubans de tôles magnétiques, qui est muni d'une fenêtre pour le passage de l'enroulement, qui présente la forme d'un polygone irrégulier, possédant un axe de symétrie. Selon un mode de réalisation de l'invention, un transformateur polyphasé est caractérisé en ce que ses enroulements sont disposés, jointifs par leur face interne, de manière que les plans passant par ces faces internes des en- roulements forment un dièdre d'angle 60 , les circuits magnétiques embrassant les enroulements deux par deux, pour chacun d'eux. Selon l'invention, les circuits magnétiques sont positionnés et maintenus sur un support réalisé sous la forme d'un plateau permettant le passage des en- roulements, et dont la configuration est telle qu'il ne constitue pas une spire embrassée par les enroulements. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, qui en illustrent divers exemples de réalisation, dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins: - la Figure 1 est une vue en perspective d'un transformateur de distribu- tion triphasé selon l'invention; - la Figure 2 est une vue en perspective des trois enroulements élec- triques du transformateur selon la Figure 1; - la Figure 3 est une vue en plan de la Figure 2; - la Figure 4 est une vue en plan d'un transformateur triphasé selon la Figure 1; - la Figure 5 représente, en plan, le support en forme de plateau du transformateur selon la Figure 4 - les Figures 6 et 7 sont des vues en coupe verticale, à échelles diffé- rentes, illustrant deux formes de réalisation des circuits magnétiques d'un transformateur selon cette invention; - les Figures 7 et 8 illustrent deux exemples de réalisation d'un trans- formateur monophasé selon cette invention; - la Figure 9 est une vue schématique, en perspective, d'un dispositif selon l'invention pour la réalisation d'un enroulement d'un transformateur objet de cette invention; et, - la Figure 10 est une vue de dessous illustrant le mode de fixation d'un enroulement électrique. La Figure 1 représente, à titre d'exemple non limitatif, un transforma- teur triphasé selon l'invention. Ce transformateur comprend essentiellement - trois circuits magnétiques 10, 12, 14, constitués chacun d'une pluralité de circuits élémentaires, réalisés par exemple par enroulement de rubans de tôle magnétique; - trois enroulements électriques haute et basse tension, 11, 13, 15, consti- tués chacun d'un fil ou d'une bande d'un métal bon conducteur, tel que l'alu- minium, enroulé autour d'une carcasse annulaire, comme on le décrira en détail ci-après, et supportés par le m8me dispositif, pour chacun des couples haute et basse tension; - un plateau 16, pour supporter les circuits magnétiques et les enroulements électriques; et, - des moyens de maintien des enroulements (non visibles sur la Figure 1, mais décrits ci-après en détail en référence à la Figure 10). 4 2!561033 Les enroulements 11, 13 et 15 sont disposés de telle façon que les plans comprenant leurs faces internes, 11', 13' et 15', forment des trièdres d'angle 60 , dont les sommets constituent les points de tangence des enroule- ments, les axes radiaux des enroulements étant dans un même plan (Figure 3) Selon l'invention, chaque enroulement électrique, haute ou basse tension, est réalisé à partir d'un fil ou d'une bande d'aluminium A, enroulée autour d'une carcasse ayant la forme d'une jante. Chaque enroulement présente une faible largeur, en regard des largeurs habituelles, et il comporte un faible nombre de spires. Les connexions d'entrée et de sortie C de chaque enroulement 11, 13 et 15 débouchent dans la surface intérieure de chaque carcasse annulaire d'enroulement (Fig. 2). Le circuit magnétique de transformateur illustré par les Figures 1 à 5 est donc constitué de trois éléments strictement identiques 10, 12, 14, venant, pour chacun d'eux, embrasser deux enroulements consécutifs.- La fenêtre 18, 20, 22, respectivement, de chaque circuit magnétique élémentaire 10, 12, 14, est constituée d'un polygone irrégulier, de six côtés dans cet exemple de réa- lisation non limitatif, mais qui possède un axe de symétrie. Comme on peut le voir sur la Figure 4, les axes de symétrie de chacune des fenêtres passent par un point commun P, qui est aussi le point de concours des axes de chaque enroulement. Chaque circuit magnétique, tel que 10, 12, 14, est constitué de circuits élémentaires, fabriqués par exemple par enroulement autour d'une forme de bobinage d'un feuillard magnétique, par exemple en matériaux amorphes, de largeur constante. Les circuits sont disposés sur le plateau support 16, par empilage de leurs composants élémentaires, qui sont immobilisés, par exemple, à l'aide de points de colle. Les circuits magnétiques ne sont à aucun moment en contact permanent avec les enroulements 11, 13, 15 ou avec leurs supports. Ils ne sont donc pas soumis à des efforts dynamiques, les seules contraintes qui s'exercent sur eux étant celles dues à leur propre poids. L'invention permet de réaliser des éléments de circuit magnétique de dimensions différentes, mais de largeur constante, ce qui présente un avantage certain, notamment lorsqu'on utilise des matériaux amorphes (possibilité de stocker une seule largeur, poux fabriquer des transformateurs de puissances différentes). La section de chaque circuit magnétique peut s'inscrire dans un demi- cercle (Fig. 6 et 7). Par exemple, cette section peut être en gradins, comme représenté sur la Figure 6, cette section pouvant être obtenue par enroule- ments successifs de rubans de matériau magnétique de largeur définie. Cette section peut être également polygonale, comme illustré par la Figure 7, o l'on a représenté deux circuits magnétiques 10a, 12a de section polygonale embrassant un enroulement Ila. Dans ce cas, la section polygonale peut être obtenue par enroulement de feuillards de forme polygonale, enroulés selon leur grand axe, ces feuillards polygonaux étant généralement réalisés par re- fendage en biais de feuillards à bords parallèles. On peut, sans sortir du cadre de l'invention, prévoir toute autre forme de section que celles illustrées par les Figures 6 et 7. Le plateau support 16 recevant les circuits magnétiques 10, 12, 14, est réalisé sous la forme d'une plaque métallique d'épaisseur suffisante pour sup- porter le poids des circuits magnétiques et des enroulements, sans subir de déformations. Comme on peut le voir sur la Figure 5, la forme de ce plateau support 16 est telle qu'elle enveloppe le contour extérieur des circuits magné- tiques 10, 12, 14, et elle présente trois évidements ouverts sur l'extérieur, 22, 24, 26, afin que le plateau support ne constitue pas, pour chaque enroule- ment, une spire parasite d'influence néfaste. Les circuits magnétiques sont maintenus sur le plateau support par tout moyen approprié s'opposant à leur glissement, par exemple par des taquets (non représentés sur le dessin). On décrira maintenant les moyens prévus par l'invention pour supporter les enroulements 11, 13 et 15, en se référant plus particulièrement aux Fi- gures 9 et 10, la Figure 10 étant une vue du dessous du plateau support 16, c'est-à-dire en position retournée par rapport à la Figure 1. Dans cet exemple de réalisation non limitatif, ces moyens comportent, pour chaque enroulement tel que 11, une chape 28, réalisée à l'aide d'une tôle pliée, qui vient coiffer la partie de l'enroulement qui fait saillie sous le pla- teau support 16, comme on le voit sur la Figure 10. Cette chape 28 est fixée sur le plateau 16, et elle comporte, en partie basse (la Figure 10 étant en posi- tion retournée par rapport à la position effective), deux axes de roulement 30 et 30' sur lesquels repose la carcasse annulaire de l'enroulement 11. Ces axes tourillonnent dans la chape 28, et ils permettent donc à la carcasse de l'enroulement 11 de tourner par rapport à cette chape, ce qui assure un posi- tionnement axial et radial de chaque carcasse, et donc de chaque enroulement correspondant, tel que 11, par rapport au plateau 16. On solidarise ensuite la carcasse de chaque enroulement, tel que 11, au plateau support 16, pour que les différents enroulements soient positionnés avec précision par rapport aux circuits magnétiques. A cet effet, on peut prévoir des cubes de fixation 32, 32', qui se fixent sur le plateau 16 et sur les joues des carcasses des enroulements. La chape 28 peut être utilisée, selon l'invention, pour réaliser l'enroule- ment des bandes ou fils de matériau conducteur sur les carcasses annulaires, comme on l'a représenté sur la Figure 9. Le bobinage des enroulements s'effectue, en effet, en faisant subir à la carcasse 11 un mouvement de rotation sur les arbres 30 et 30', à l'aide d'un par exemple moto-réducteur 34 entraînant un arbre 36, recouvertde caoutchouc, qui est appliqué sur la périphérie des deux joues de la carcasse. L'enroulement de la bande B du matériau conducteur (aluminium, de preférence) et de ses bandes isolantes I est contrôlé à l'aide d'un compteur électronique 38, actionné par un détecteur magnétique 40, positionné dans un logement 40' pratiqué dans la chape 28, qui est excité par une pastille métallique de comptage 42, fixée sur la joue extérieure de la carcasse. Cette disposition permet une réalisation très pré- cise de chaque enroulement du transformateur objet de l'invention. On peut associer à ce dispositif un micro-processeur, qui assure une robotisation de l'ensemble des opérations. Le dispositif qui vient d'être décrit permet de réaliser des ensembles enroulements - carcasses mécaniquement très robustes, supportant les efforts électro-dynamiques lors des court-circuits. Les carcasses annulaires sur lesquelles sont bobinés les enroulements peuvent être réalisées de diverses façons. Elles peuvent être constituées, par exemple, de deux joues ou flasques latéraux munis chacun d'un évidement axial comportant un épaulement, de manière à pouvoir enrouler, autour des épaule- ments, une bande isolante qui constitue l'axe de la carcasse. On réalise ainsi une bobine à axe isolant, ce qui assure une continuité de l'isolement des enrou- lemrnents en regard des portions de circuit magnétique intérieur à chaque enrou- lement, ce qui constitue un avantage important par rapport aux dispositifs se- lon la technique antérieure, oh cet avantage est obtenu à l'aide d'emboîtements coûteux et fragiles. Les différentes étapes du procédé de réalisation d'un transformateur selon cette invention sont les suivantes: 25610-33 1 - bobinage des circaits magnétiques élémentaires destinés à constituer ul- térieurement les circuits 10, 12, 14; 2 - recuit des circuits magnétiques élémentaires ainsi réalisés 3 - contrôle des caractéristiques des circuits 5. magnétiques (mesure des VA et des watts) dimensionnelles 4parallèlement aux opérations ci-dessus, réalisation, successivement, du découpage du plateau support 16, du perçage des évidements 22, 24, 26 dans ce plateau, de son ébavurage et de la fixation d'un isolant éventuel, afin d'éviter la mise en court-circuit des spires des circuits magnétiques reposant sur le plateau; - découpe et pliage des chapes 28 supportant les enroulements 11, 13, 15 6 - réalisation des arbres de roulement 30, 30', et montage de ces arbres dans les chapes 28 respectives; 7 - montage des chapes 28 sur le plateau 16, destiné à supporter les circuits magnétique s; 8 - montage des circuits magnétiques 10, 12, 14 sur le plateau support 16 9 - montage des carcasses annulaires de bobinage des enroulements bobinage des enroulements 11, 13, 15, haute et basse tension; 11 - calage et fixation des enroulements 11, 13, 15 sur les chapes 28, par exemple à l'aide de systèmes tels que les cubes de fixation 32, 32' décrits ci-dessus; 12 - contrôle, et, dans le cas d'un transformateur en cuve immergé: - séchage, par passage en étuve (cette opération s'effectue très rapidement, en raison de l'absence de toute pièce en bois, ce qui permet d'économiser à la fois de l'énergie et du temps); - mise en cuve, exécution du câblage (assemblage mécanique vis- écrous ou cosses enfichables); - mise sous vide, remplissage d'huile, et, - contrôle final. L'invention n'est pas limitée à la réalisation de transformateurs poly- phasés. Elle permet en effet de réaliser, de la même façon que décrit ci- dessus, des transformateurs monophasés. La Figure 7 représente un exemple de réalisation d'un transformateur monophasé selon la présente invention, qui comporte un circuit magnétique 44 et deux enroulements électriques 46, 46', et la Figure 8 représente un exemple de réalisation d'un transformateur monophasé selon l'invention, qui comporte deux circuits magnétiques 48, 48', et un seul enroulement électrique 50. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux divers exemples de réalisation décrits et/ou représentés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. 256 1033 REVENDICATIONS 1 - Transformateur électrique comprenant un circuit magnétique et, pour chaque phase, un enroulement électrique comportant au moins un bobinage, caractérisé en ce que chaque enroulement électrique (11, 13, 15) est constitué d'un fil ou d'une bande d'un matériau bon conducteur, notamment de l'alumi- niumn, enroulé autour d'une carcasse annulaire en forme de jante, en ce que chaque circuit magnétique (10, 1Z, 14) est constitué d'au moins un circuit élémentaire, réalisé par enroulement d'un feuillard magnétique de largeur constante, et il comporte une fenêtre (18, 20, 22) pour le passage du ou des enroulements correspondants, qui présente la forme d'un polygone irrégulier possédant un axe de symétrie, et en ce que lesdits circuits magnétiques sont positionnés et maintenus sur un plateau support (16) permettant le passage des enroulements. Z - Transformateur électrique polyphasé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ses enroulements (11, 13, 15) sont disposés jointifs par leur face interne, de manière que les plans passant par ces faces internes (Il', 13', ') desdits enroulements forment un dièdre d'angle 60', les circuits magné- tiques (10, 12, 14) embrassant les enroulements deux par deux, pour chacun d'eux. 3 - Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque enroulement comporte un faible nombre de spires, et en ce que les connexions d'entrée et de sortie (C),haute et basse tension, de chacun des- dits enroulements, débouchent dans la surface intérieure de chaque carcasse annulaire en forme de jante. 4 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque circuit magnétique (10, 12, 14) est constitué par l'empilage de composants élémentaires sur ledit plateau support (16), les com- posants étant immobilisés sur ledit plateau de manière à n'être, à aucun mo- ment, en contact permanent avec les enroulements (11, 13, 15). 5 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de chaque circuit magnétique est choisie de façon à s'inscrire dans un demi-cercle, cette section pouvant être en gradins, polygonale, ou de toute forme intermédiaire. 6 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, 3.5 caractérisé en ce que ledit plateau-support (16) est réalisé sous la forme d'une plaque métallique enveloppant le contour extérieur des circuits magnétiques qu'elle supporte, cette plaque étant pourvue d'évidements (22, 24, 26). 7 - Transformateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les évidements (22, 24, 26) prévus dans ladite plaque sont ouverts vers l'extérieur, afin que ledit plateau support ne constitue pas une spire parasite pour chaque enroulement. 8 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque enroulement (11, 13, 15) est positionné dans un support réalisé sous la forme d'une chape (28), fixée sous le plateau support (16) et comportant deux axes parallèles (30, 30') sur lesquels repose ledit en- roulement, qui peut ainsi être entraîné en rotation sur lesdits axes, afin d'être positionné radialement et axialement avec précision, avant d'être rendu soli- daire du plateau. 9 - Transformateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque enroulement, constitué d'un bobinage basse tension réalisé à partir d'un feuil- lard bon conducteur et d'un bobinage haute tension réalisé à partir d'un feuillard bon conducteur, est obtenu en faisant subir à chaque carcasse annulaire un mou- vement de rotation sur les axes (30, 30'), constituant des paliers de rotation, à l'aide d'un moto-réducteur (34) entraînant un arbre (36) appliqué sur la périphé- rie de ladite carcasse, le bobinage étant contr8ôlé par un compteur électronique (38) actionné par un détecteur (40), excité par une pastille de comptage (42) placée sur la joue de ladite carcasse annulaire. - Transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits magnétiques sont réalisés à partir de maté- riaux magnétiques amorphes. ll - Procédé de fabrication d'un transformateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à: - bobiner les circuits magnétiques devant constituer ultérieurement les cir- cuits (10, 12, 14), puis les recuire; - contrôler les caractéristiques dimensionnelles et magnétiques des circuits - parallèlement à ces opérations, réaliser le plateau support (16); - réaliser les chapes (28) de stinées au support et à la fixation des enroule- ments (11, 13, 15); - réaliser les arbres de roulement (30, 30') et les monter dans les chapes (28) respectives il - monter les chapes sur le plateau support (16) - monter les circuits magnétiques (10, 12, 14) sur le plateau support; - monter les carcasses annulaires de bobinage des enroulements électriques - bobiner les enroulements haute et basse tension sur chaque carcasse annu- laire; - caler et fixer les enroulements (11, 13, 15) sur les chapes (28) - effectuer les opérations de connexion et de câblage de l'ensemble obtenu, puis de contrôle.