Brevet FR2617327A1 — publié le 19881230

TRANSFORMATEUR TORIQUE A DISPOSITIF D'AUTO-INDUCTION INTEGRE La présente invention concerne les transformateurs électriques destinés à la transmission de l'énergie électrique, et plus particuliè- rement les transformateurs dont l'un au moins des enroulements présente une auto-inductance intégrée. Les transformateurs à auto-inductance intégrée sont générale- ment constitués autour d'un circuit magnétique classique à deux ou trois colonnes parallèles reliées par deux traverses d'extrémités, les enroulements primaire et secondaire étant bobinés autour de la colonne centrale. Ces transformateurs à circuit magnétique classique présentent notamment l'inconvénient d'être relativement volumineux et lourds; la configuration du circuit magnétique provoque un rayonnement électroma- gnétique néfaste au voisinage du transformateur, rayonnement encore augmenté très sensiblement lorsqu'on incorpore un noyau magnétique supplémentaire pour réaliser l'auto-inductance. On connaît par ailleurs des transformateurs électriques, généralement appelés transformateurs toriques, dont le noyau magnétique présente une forme annulaire fermée. Les enroulements primaire et secondaire d'un tel transformateur sont généralement bobinés l'un sur l'autre. On sait qu'un tel transformateur est, à puissance égale, moins incombrant et moins lourd qu'un transformateur à circuit magnétique classique à deux ou trois colonnes. Un tel transformateur torique est toutefois plus difficile à réaliser, et en particulier plus difficile à bobiner, puisque le c&rcuit magnétique est déjà fermé lors du bobinage et que le fil électrique d'enroulement doit passer autant de fois dans la cheminée centrale du circuit magnétique qu'il y a de spires pour former le bobinage. On a tenté de réaliser des transformateurs toriques à auto- inductance intégrée, en écartant les enroulements primaire et secondaire l'un de l'autre, c'est-à-dire en bobinant un premier enroulement sur un premier secteur circulaire du circuit magnétique, et en bobinant l'autre enroulement sur un second secteur circulaire du circuit magnétique différent du premier secteur. Une telle solution ne s'avère pas utilisable industriellement, car cela rend les enroulements électriques encore plus difficiles à bobiner sur le tore, et le bobinage ne peut pas être facilement automatisé. Une telle disposition conduit en outre à augmenter les volumes, les sections de cuivre constituant les enroule- ments, et l'échauffement du transformateur; l'auto-inductance ainsi obtenue est difficile à maîtriser quantitativement, lorsque l'on veut concevoir un transformateur presentant des caractéristiques nouvelles. On constate en outre que cette structure conduit à augmenter sensible- ment le rayonnement électromagnétique au voisinage du transformateur. La présente invention a notamment pour objet d'éviter les inconvénients des transformateurs connus, en proposant une nouvelle structure de transformateur torique à auto-inductance intégrée qui est particulièrement simple et facile à bobiner, à assembler. Selon un autre objet de l'invention, cette nouvelle structure permet de concevoir un transformateur à auto-inductance intégrée autour duquel le rayonnement électromagnétique est relativement beaucoup plus faible. Selon un autre objet de l'invention, la structure permet d'ajuster et de contrôler à volonté la valeur de l'auto-inductance intégrée, par un simple déplacement mécanique de certaines parties de structure; il est ainsi beaucoup plus aisé de concevoir et de réaliser des transformateurs présentant des caractéristiques électriques nouvel- les, et les caractéristiques peuvent être obtenues de manière précise. Selon un autre objet de l'invention, la nouvelle structure est relativement peu onéreuse, car le circuit magnétique est composé d'éléments dont les formes sont simples et faciles à réaliser, et dont l'assemblage est particulièrement rapide et ne nécessite que peu de maind'oeuvre. La structure est en outre particulièrement bien adaptée pour permettre une automatisation très poussée du montage. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, le transformateur torique selon la présente invention comprend un circuit magnétique principal annulaire fermé, des moyens d'isolement électrique de la surface extérieure du circuit magnétique, un enroulement électrique intérieur bobiné sur l'isolement du circuit magnétique principal, un isolement électrique intermédiaire entourant l'enroulement électrique intérieur, et un enroulement électrique extérieur bobiné autour de l'isolement électrique intermédiaire. Le transformateur selon l'inven- tion comprend en outre au moins un noyau magnétique, comportant au moins un secteur annulaire ouvert limité par un entrefer et disposé parallèle- ment au circuit magnétique principal annulaire entre l'enroulement 6.17327 électrique intérieur et l'enroulement électrique extérieur. Le noyau magnétique détermine, par sa structure et sa position, la valeur de l'auto-inductance de l'enroulement électrique extérieur. Selon un mode de réalisation avantageux, le noyau magnétique comporte au moins un secteur annulaire disposé selon le pourtour de l'enroulement intérieur. En alternative ou en complément, le noyau magnétique comporte au moins un secteur annulaire disposé dans la cheminée centrale de l'enroulement intérieur. Selon un mode de réalisation particulier, le noyau comporte deux secteurs annulaires successifs disposés selon le pourtour de l'enroulement intérieur. Cela facilite l'insertion du noyau magnétique et le réglage de l'inductance par positionnement des secteurs annulaires successifs. Le transformateur comprend avantageusement une couronne supéri- eure et une couronne inférieure,- réalisées en une matière isolante et rigide, dont les contours extérieurs sont reliés l'un à l'autre par des barrettes axiales formant un support pour le noyau magnétique périphéri- que. Le noyau magnétique périphérique est avantageusement constitué d'un empilage de tôles cintrées sur le pourtour défini par les barrettes axiales et sur lesquelles il est maintenu par un enrubannage périphéri- que isolant. Cette structure facilite considérablement le montage du transformateur, c'est-à-dire l'assemblage de ses constituants, et le réglage de l'auto-inductance peut être assuré en faisant coulisser les tôles dans le logement défini entre les barrettes axiales et l'enruban- nage périphérique. Les couronnes supérieure et inférieure comportent avantageuse- ment un contour intérieur circulaire de diamètre inférieur au diamètre intérieur du circuit magnétique principal annulaire; les couronnes forment ainsi un support sur lequel peut être bobiné l'enroulement extérieur. Les couronnes assurent ainsi une séparation des deux enroulements, augmentent la surface d'échange thermique, participent à l'isolation électrique, et définissent un support rigide permettant l'automatisation du bobinage de l'enroulement extérieur. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisa- tion particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - 6 17327 - la figure 1 représente une vue générale de côté d'un transformateur selon la présente invention; - la figure 2 représente une vue de dessus du transformateur de la figure 1; - la figure 3 est une vue de dessus en coupe selon le plan A-A de la figure 1; et - la figure 4 est une demi-vue de côté en coupe selon le plan B-B et à plus grande échelle de la figure 3. - Le transformateur selon la présente invention, représenté sur les figures 1 et 2, présente une forme extérieure générale annulaire. Le corps 1 du transformateur est un anneau d'axe I-I et de section sensiblement rectangulaire. Le corps est solidaire d'un ensemble de fixation et de transport 2 comprenant un premier élément d'extrémité 3 et un second élément d'extrémité 4 appliqués respectivement sur le premier flanc 5 du corps 1 et sur le second flanc 6 du corps 1. Les éléments d'extrémité 3 et 4 sont reliés par une colonne centrale 7 de liaison, surmontée d'une boucle de portage 8. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, les éléments d'extrémité, tels que le premier élément 3, comprennent trois branches divergentes en étoile. Ainsi, le premier élément d'extrémité 3 comprend les branches 9, 10 et 11. Les branches se rejoignent au centre, dans l'axe I-I du transformateur, et sont solidaires de la colonne centrale de liaison 7. La colonne centrale de liaison 7 traverse la cheminée centrale 12 du corps 1. Une plaque support 13, solidaire du premier élément d'extrémité 3, supporte les bornes de connexion électrique du transformateur. Les figures 3 et 4 illustrent la constitution interne du corps 1 de transformateur selon un mode de réalisation de l'invention. Pour la clarté des dessins, les tôles du circuit magnétique ont été partielle- ment représentées; il en est de même des conducteurs constituant les bobinages de transformateur, conducteurs qui sont représentés en coupe transversale sur la figure 3 et en coupe longitudinale sur la figure 4. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, le transformateur comprend un circuit magnétique principal 20 en forme d'anneau circulaire fermé, à section rectangulaire. Le circuit magnéti- que est constitué, de manière connue, d'un empilage de tôles circulaires solidaires les unes des autres. Y617327 Le circuit magnétique 20 est isolé électriquement sur la totalité de sa surface. L'isolation électrique peut avantageusement être assurée par un bandeau intérieur 21 recouvrant la paroi de la cheminée intérieure du circuit magnétique, un bandeau extérieur 22 recouvrant la paroi périphérique du circuit magnétique, un flasque supérieur 23 recouvrant le flanc supérieur du circuit magnétique et un flasque inférieur 24 recouvrant le flanc inférieur du circuit magnétique. L'isolation peut être complétée par un enrubannage 25, l'enrubannage assurant simultanément le maintien des flasques 23 et 24 et des bandeaux 21 et 22 sur le circuit magnétique, pour définir un sous-ensemble manipulable susceptible de recevoir un bobinage par des moyens mécani- ques automatiques. Le sous-ensemble ainsi formé reçoit, par bobinage de manière connue, un premier enroulement électrique appelé enroulement intérieur 26, constitué d'un nombre de spires convenable de fil électrique bobinées autour du circuit magnétique 20. Une couronne supérieure 27 est appliquée contre le flanc supérieur 28 de l'enroulement électrique intérieur 26, et une couronne inférieure 29 est appliquée contre le flanc inférieur 30 de l'enroule- ment électrique intérieur 26. Les couronnes 27 et 29 sont réalisées en une matière électriquement isolante et présentant une rigidité suffisan- te pour supporter et maintenir sans déformation excessive l'enroulement électrique extérieur. De préférence, les couronnes supérieure 27 et inférieure 29 présentent des contours extérieurs 31 et 32 identiques, et des contours intérieurs 33 et 34 également identiques, les couronnes étant toutes deux centrées sur l'axe I-I du transformateur. Les couronnes supérieure 27 et inférieure 29 sont reliées, au voisinage de leurs contours extérieurs 31 et 32, par des barrettes axiales 35, et, au voisinage de leurs contours intérieurs 33 et 34, par des colonnes axiales 36. Dans le mode de réalisation représenté, le transformateur comprend quatre colonnes axiales telles que la.colonne 36, régulièrement réparties en périphérie de la cheminée centrale de l'enroulement électrique intérieur 26. Selon un mode de réalisation, les colonnes 36 peuvent être en appui contre la paroi intérieure de l'enroulement électrique intérieur 26; selon un autre mode de réalisation, on peut interposer un écran électrostatique 37 entre les colonnes 36 et la paroi intérieure de l'enroulement électrique intérieur 26, comme le représente la figure 4. Les contours intérieurs 33 et 34 ont une forme circulaire de diamètre inférieur au diamètre intérieur de l'anneau formé par l'enroulement électrique intérieur 26, de façon à définir deux surfaces contre lesquelles viennent s'appuyer et s'incurver les conducteurs formant l'enroulement électrique extérieur 38. De même, les contours extérieurs 31 et 32 des couronnes 27 et 29 ont une forme circulaire de diamètre supérieur au diamètre extérieur de l'anneau formé par l'enroulement électrique intérieur 26. Ainsi, les contours 31 et 32 forment une surface d'appui pour les conducteurs électriques de l'enroulement électrique extérieur 38. Les couronnes forment un support sur lequel est bobiné l'enroulement électrique extérieur 38, et participent à l'isolement électrique des enroulements l'un par rapport à l'autre. Les couronnes supérieure 27 et inférieure 29 sont réalisées en un matériau électriquement isolant, et mécaniquement rigide. Les colonnes 36 ont une section circulaire, et leurs extrémités s'insèrent dans des trous axiaux 39 de section correspondante des couronnes. Les barrettes 35 ont une section rectangulaire, et leurs extrémités s'engagent dans des encoches 40 radiales de section correspondante des couronnes. Les barrettes comportent une encoche extérieure 41, de longueur sensiblement égale à la moitié de la hauteur du circuit magnétique 20, et de profondeur suffisante pour recevoir le noyau magnétique 42. Dans le mode de réalisation représenté, le transformateur comprend douze barrettes axiales telles que la barrette 35, régulière- ment réparties en périphérie de l'anneau formé par l'enroulement électrique intérieur 26. Selon un mode de réalisation, les barrettes peuvent être en appui contre l'enroulement électrique intérieur. Selon le mode de réalisation représenté, un écran électrostatique 49 est interposé entre les barrettes 35 et l'enroulement électrique intérieur 26. Le noyau magnétique 42 est constitué d'un empilage de tôles magnétiques, de forme rectangulaire, cintrées et appliquées radialement depuis l'extérieur dans les encoches 41 des barrettes 35. Les encoches 41 ont pour cela une longueur légèrement supérieure à la hauteur du noyau magnétique. Après application, les tôles du noyau magnétique 42 sont maintenues en position plaquées dans les encoches par un ruban 43 périphérique d'isolement et de maintien du noyau magnétique. 26 17327 Selon l'invention, le noyau magnétique 42 présente un profil ouvert en forme de secteur annulaire, sensiblement parallèle au circuit magnétique principal 20 et limité par un entrefer. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le noyau magnétique 42 est constitué d'un premier secteur annulaire 44 et d'un second secteur annulaire 45 successifs disposés selon le pourtour de l'enroulement électrique intérieur 26. Les extrémités des deux secteurs annulaires successifs 44 et 45 sont séparées d'un côté par un premier entrefer 46 de faible épaisseur, et sont séparées de l'autre côté par un second entrefer 47 beaucoup plus important. L'entrefer 47, représenté sur la figure 3, occupe un peu plus du quart de la circonférence. On comprend que l'on peut faire coulisser les tôles magnétiques formant le premier secteur 44 et/ou le second secteur 45, à la périphérie des barrettes 35, pour régler la valeur de l'auto-inductance du transformateur. Les barrettes 35 et les colonnes 36 sont solidarisées aux couronnes supérieure 27 et inférieure 29, par exemple par collage ou emmanchement en force, de sorte que l'ensemble constitue un sous- ensemble d'une seule pièce susceptible d'être bobiné par des moyens mécaniques automatiques pour recevoir l'enroulement électrique exté- rieur. Ainsi, l'enroulement électrique extérieur 48 forme la couche extérieure du corps de transformateur. Dans -le mode de réalisation représenté, l'enroulement extérieur 48 recouvre le noyau magnétique et l'enroulement intérieur à l'exclusion de la zone du second entrefer 47. Dans d'autres modes de réalisation, on pourra prévoir un enroulement électrique extérieur 48 qui recouvre la totalité du circuit magnétique et de l'enroulement intérieur. Le noyau magnétique 42, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, a une hauteur égale à environ la moitié de la hauteur du circuit magnétique 20, et est disposé à mi-hauteur du circuit magnétique principal 20. On comprend que, selon l'invention, le noyau magnétique 42 est disposé entre l'enroulement électrique intérieur 26 et l'enroulement électrique extérieur 48. Ce noyau magnétique 42 détermine la valeur de l'auto-inductance présentée par l'enroulement électrique extérieur 48. On peut en particulier utiliser le transformateur selon l'invention en choisissant l'enroulement intérieur comme enroulement secondaire, et l'enroulement extérieur 48 comme enroulement primaire, de sorte que le transformateur est alors un transformateur dont le primaire présente une auto-inductance. - Sur la figure 3, les références 481 et 482 désignent les sorties de l'enroulement électrique extérieur 48. Cet enroulement est formé de quatre brins bobinés en parallèle. Les références 261 et 262 désignent les extrémités de l'enroulement électrique intérieur 26, et la référence 263 en désigne le point milieu. Cet enroulement est formé de trois brins bobinés en parallèle. La référence 370 désigne les sorties de conducteurs de mise à la masse des écrans 37 et 49. On peut concevoir, sans sortir du cadre de la présente invention, des dispositions différentes du noyau magnétique 42. Ainsi, selon un second mode de réalisation, le noyau magnétique peut être conformé en secteur annulaire disposé dans la cheminée centrale de l'enroulement intérieur 26. Selon un troisième mode de réalisation, le noyau magnétique peut être conformé en secteur annulaire disposé sur l'un des flancs 28 ou 29 de l'enroulement intérieur 26. On peut également concevoir un noyau magnétique 42 en plusieurs parties, certaines parties étant disposées sur les flancs 28 ou 30, certains autres éléments étant disposés sur le pourtour ou à l'intérieur de la cheminée. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- tion qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendica- tions ci-après. REVENDICATIONS 1 - Transformateur torique, comprenant - un circuit magnétique principal annulaire (20) fermé, - des moyens d'isolement (21, 22, 23, 24, 25) du circuit magnétique, - un enroulement électrique intérieur (26) bobiné sur les moyens d'isolement du circuit magnétique, - des moyens d'isolement électrique intermédiaire (27, 29, 35, 36, 43) entourant l'enroulement électrique intérieur, - un enroulement électrique extérieur (48) bobiné autour de l'isolement électrique intermédiaire, caractérisé en ce qu'il comprend un noyau magnétique ouvert (42) comportant au moins un secteur annulaire limité par un entrefer et disposé parallèlement au circuit magnétique principal annulaire (20) entre l'enroulement électrique intérieur (26) et l'enroulement électri- que extérieur (48). 2 - Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau magnétique (42) comporte au moins un secteur annulaire (44) disposé selon le pourtour de l'enroulement électrique intérieur (26). 3 - Transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le noyau magnétique (42) comporte au moins un secteur annulaire disposé dans la cheminée centrale de l'enroulement électrique intérieur (26). 4 - Transformateur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le noyau magnétique (42) a une hauteur égale 'à environ la moitié de la hauteur du circuit magnétique principal (20), et est disposé à mi-hauteur du circuit magnétique. - Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le noyau magnétique (42) comporte au moins un secteur annulaire disposé sur un flanc (28, 30) de l'enroulement intérieur (26). 6 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que le noyau (42) magnétique comporte deux secteurs annulaires (44, 45) successifs disposés selon le pourtour de l'enroulement intérieur (26). 7 - Transformateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les extrémités des deux secteurs annulaires successifs (44, 45) sont séparées d'un côté par un premier entrefer (46) de faible épaisseur, et sont séparées de l'autre côté par un second entrefer (47) occupant environ un quart de circonférence. 8 - Transformateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enroulement électrique extérieur (48) recouvre le noyau magnétique (20) et l'enroulement électrique intérieur (26) à l'exclusion de la zone du second entrefer (47). 9 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne supérieure (27) rigide et isolante et une couronne inférieure (29) rigide et isolante, dont les contours extérieurs (31, 32) sont reliés l'un à l;autre par des barrettes axiales (35) formant support pour le noyau magnétique (42). - Transformateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les barrettes axiales (35) comportent une encoche extérieure (41) dont la longueur est légèrement supérieure à la hauteur du noyau magnétique (42), pour recevoir le noyau et assurer son positionnement axial. 11 - Transformateur selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le noyau magnétique (42) comprend un empilage de tôles cintrées sur le pourtour défini par les barrettes (35) axiales et sur lesquelles elles sont maintenues par un enrubannage périphérique isolant (43). 12 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les couronnes supérieure (27) et inférieure (29) comportent un contour intérieur (33, 34) circulaire de diamètre inférieur au diamètre intérieur de l'anneau formé par l'enroulement électrique intérieur (26), et comportent un contour extérieur (31, 32) de diamètre supérieur au diamètre extérieur de l'anneau formé par l'enroulement électrique intérieur (26), de sorte que les couronnes forment un support sur lequel est bobiné l'enroulement extérieur (48). 13 - Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de fixation et de transport à deux éléments d'extrémité (3, 4) appliqués contre les flancs extérieurs (5, 6) du corps (1) du transformateur, les éléments d'extrémité étant reliés par une colonne centrale de liaison (7) traversant la cheminée centrale (12) du corps.