Brevet FR2631155A1 — publié le 19891110

Transformateur hybride torique La présente invention concerne un transformateur d'impulsion hybride torique, cette expression désignant un transformateur d'impulsion de forme torique dont, en fonc- tionnement, l'enroulement primaire est supraconducteur, tandis que son enroulement secondaire n'est pas supracon- ducteur. Le maintien de l'état supraconducteur pour l'en- roulement primaire suppose un refroidissement & basse température, tandis que l'enroulement secondaire peut étre & la température ambiante. Un dispositif d'accumulation d'énergie employant un transformateur de ce type est décrit dans la demande de brevet français n 88 04672, déposée le 8 avril 1988. Le transformateur d'impulsion hybride y est utilisé pour l'accumulation et le stockage d'énergie par l'établissement d'un courant dans l'inductance que constitue l'enroulement primaire, l'enroulement secondaire étant en circuit ouvert, et le maintien en boucle de ce courant dans un circuit entièrement supraconducteur, c'est-à-dire sans pertes. L'énergie est stockée dans le champ magnétique intense engendré dans le transformateur par ce courant. Le couplage entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire permet de décharger cette énergie sous une forme impul- sionnelle dans l'enroulement secondaire, en coupant le courant primaire, après que l'on ait établi un circuit d'utilisation au secondaire. Le courant impulsionnel fourni par l'enroulement secondaire est, par exemple, employé pour le lancement d'un projectile, dans ce que l'on appelle un lanceur électromagnétique. L'obtention d'une grande efficacité dans le stockage de l'énergie demande un couplage sans pertes entre l'enroulement primaire et le champ magnétique utile. Il est connu qu'un transformateur torique fournit à cet égard la meilleure solution, d'autant plus que l'intensité du champ magnétique est telle qu'elle ex:clut l'emploi d'un circuit magnétique guidant le champ, en un matériau à perméabilité élevée, car ce matériau serait saturé. Par ailleurs, le pouvoir de coupure demandé dans le circuit primaire sera d'autant moins élevé que le couplage entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire sera élevé. Cette exigence suppose donc un enroulement secondaire bobiné aussi près que possible de l'enroulement primaire. Or, les forces électrodynamiques agissant sur les conducteurs des enroulements tendent & augmenter le diamè- tre des spires des enroulements et elles ont une résultante centripète, dirigée vers l'axe de symétrie du tore. Une telle résultante doit être supportée par une armature, pour chacun des enroulements. Il est par ailleurs souhaitable de disposer l'enroulement secondaire sur l'enroulement primaire, et non le contraire, pour des raisons thermodynamiques, un isolant électrique et un isolant thermique étant interposés entre ces enroulements. On pourait penser à utiliser une armature unique placée au centre du tore et supportant les résultantes centripètes mentionnées des deux enroulements. Ce n;est toutefois pas possible en raison de ce que la force résul- tante centripète s'exerçant sur l'enroulement primaire presserait cet enroulement vers l'enroulement secondaire et l'armature avec une force telle qu'elle écraserait le matériau isolant thermique. L'invention a donc pour objet un transformateur d'impulsion hybride torique doté d'une armature telle qu'elle soutienne l'enroulement primaire vis-à-vis des forces centripètes mentionnées et permette néamoins de disposer l'enroulement secondaire aussi près que possible de l'enroulement primaire. Le transformateur hybride torique de la présente invention est caractérisé en ce que l'armature soutenant l'enroulement primaire est disposée & l'intérieur des spires composant l'enroulement primaire et en ce que des 263 1 1 55 moyens sont prévus pour coupler mécaniquement à l'armature au moins la partie de ces spires voisine de l'axe de syme- trie du transformateur torique et transmettre ainsi à l'armature les forces centripètes s'exerçant sur l'enroulement primaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'armature est une couronne de forme extérieure semblable à celle du transformateur tdrique, à la surface de laquelle sont bobinées les spires de l'enroulement primaire, la partie de cette couronne tournée vers l'axe de symétrie du tore comprenant des moyens de rétention couplant au moins une partie correspondante de chaque spire à l'armature. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens de rétention sont des cales d'ancrage comprenant un corps d'assemblage prévu pour s'insérer dans une gorge de l'armature et y être retenu par coopération de forme, une âme de liaison prolongeant ledit corps d'assemblage vers l'axe de symétrie du tore sur l'épaisseur de l'enroulement primaire et une aile de support au moins, s'étendant transversalement à partir de ladite âme, devant l'enroulement primaire, pour recevoir toute force centri- pète s'exerçant sur la partie d'enroulement devant laquelle elle se trouve et la transmettre à l'armature par ladite âme et ledit corps d'assemblage. Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite armature contient un bain de liquide de refroidis- sement. Selon une autre caractéritique de l'invention, des conduits de liquide de refroidissement sont inclus dans l'enroulement primaire, entre lesdits moyens de rétention. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enroulement primaire est recouvert de couches d'isolation électrique et thermique et porte ensuite directement l'enroulement secondaire, lui-même isolé et recouvert d'un frettage. Selon une autre caractéristique de l'invention, la circulation du liquide de refroidissement a lieu en boucle le long de la totalité du perimètre des spires, d'abord dans les conduits (11) rectilignes, puis le long des conducteurs, dans l'espace compris entre la carcasse (1) et la paroi froide interne (4) du cryostat. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention fourni à titre d'exemple non limitatif, laquelle sera faite en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue en perspective d'un segment de transformateur hybride torique conforme à l'invention, avec un arraché faisant apparaître l'agencement des diffé- rentes parties du transformateur, - la figure 2, une coupe transversale partielle faisant mieux apparaître la disposition des différentes couches de la partie intérieure du transformateur hybride torique de la figure 1. On décrira donc un mode de réalisation de l'inven- tion en se reportant d'abord à la figure 1. Les figures 1 et 2 représentent une section de 120 d'une structure torique comprenant trois parties identiques assemblées par des moyens non représentés et constituant ensemble le transformateur. Celui-ci comprend ainsi, depuis l'intérieur de la couronne torique et vers l'extérieur de celle-ci (voir en particulier la figure 2): - une carcasse torique 1, en matériau isolant, étanche et contenant, un fluide de refroidissement, - un enroulement primaire 2 qui peut comprendre une seule nappe d'un conducteur dont les spires sont quasi- jointives là o elles sont les plus serrées, - des cales d'ancrage 5., une paroi interne 4 constituant la paroi froide du cryostat contenant l'enroulement 2, en un matériau iso- lant tel que le verre epoxy, - un espace vidé 5 contenant un matelas de super- isolant, - un écran thermique 6 qui peut etre constitué par une nappe discontinue de tubes parcourus par un liquide réfrigérant, - des cales 7 séparant l'écran thermique de la paroi externe du cryostat, - une paroi 8 étanche, en matériau électriquement non conducteur, constituant la paroi chaude du cryostat, - une couche thermiquement isolante 9, - une nappe conductrice 10 constituant l'enroule- ment secondaire du transformateur, - un frettage non représenté, avec isolation ther- mique et électrique de l'enroulement secondaire. La carcasse 1 est le support de l'enroulement 1. En tant que carcasse, sa présence n'est pas indispensable, car on connaet des enroulements bobinés "en l'air", c'est-à- dire dont le fil, une fois formé, est assez rigide pour définir et conserver la forme de l'enroulement. le long de tels enroulements, le rapport entre leur rayon de courbure local et la distance à l'axe du tore reste invariant. On a vu qu'elle contient un liquide de refroidissement, indiqué en 13. Une telle fonction demande l'étanchéité, mais n'exige aucune caractéristique mécanique d'importance significative. Selon l'invention, elle joue encore le rôle d'armature de soutien de l'enroulement primaire 2, à l'égard des forces électrodynamiques et, à cet effet, elle est dotée d'une résistance mécanique appropriée. Ces forces tendent à augmenter la section de l'enroulement 2 et ont une résultante centripète, en direction de l'axe de symétrie 14 de la structure torique. C'est airsi que dans le mode de réalisation de la figure 1, la partie intérieure de la carcasse 1, c'est-à-dire la partie la plus proche de l'axe 14, a une épaisseur fortement augmentée, en 15, et comporte des nervures de renforcement 16, 17, 18. Les forces centripètes transmises de l'enroulement 2 à cette partie 15 de la carcasse 1 servant d'armature sont suppor- tées sans déformation significative, par le fait que cette partie 15 est alors soumise & une contraction radiale uniforme. On peut ainsi employer pour la carcasse un maté- riau isolant plastique tel qu'un polyimide. La forme générale, vue en coupe transversale, de la carcasse 1 et de l'ensemble du transformateur, comprend un fond plat 20 et une courbure aplatie 19. Cette courbure est celle qui résulte directement des efforts appliques sur les conducteurs de l'enroulement 2 lorsque ce dernier est parcouru par un courant très intense. Par suite, en dehors de ladite partie intérieure, la carcasse 1 n'a donc aucun effort à supporter et peut donc être mince. Les spires 21, 21', etc., de l'enroulement 2, toujours en dehors de la partie intérieure, sont.simplement posées ou éventuellement collées sur la carcasse 1. Toutefois, conformément à l'invention, les spires de l'enroulement 2 sont rendues solidaires de la carcasse I dans leur partie voisine de l'axe de symétrie 14. Les moyens rendant les spires de l'enroulement 2 mécaniquement solidaires de la partie intérieure servant d'armature de la carcasse 1 sont plus facilement visibles à la figure 2. La figure 2 est une vue partielle en coupe trans- versale, à une échelle agrandie, de la structure torique, dans un plan repéré par la ligne 22 sur la figure 1. On y retrouve les éléments correspondants de la figure 1, cités antérieurement et sur lesquels on ne reviendra pas. Les moyens rendant l'enroulement 2 solidaire de la carcasse 1 sont pour l'essentiel des cales d'ancrage 3 comportant chacune-un corps d'assemblage 2,3. une âme 24 et une aile de support au moins 25. Ces cales d'ancrage 3, que l'on voit aussi à la figure 1 constituent des éléments seuls ou des groupes d'éléments alignés dont la 1 ongueur totale correspond sensiblement & celle de la partie plate du fond 15 de la carcasse' 1. Dans cette partie 15 ont été formées des gorges 12 pour recevoir et maintenir solidement les cales d'ancrage 3. Ces gorges et le corps d'assemblage des cales d'ancrage ont une section triangulaire ou en queue d'aronde. De part et d'autre de l'âme 24, on voit en 26 et 27, le conducteur de l'enroulement 2 formant des spires en une seule couché, comme on le voit à la figure 1. Ce conducteur a une section rectangulaire. Il sera avantageu- sement en un matériau multifilamentaire conservant ses propriétés supraconductrices en présence d'un champ magné- tique très intense. Il est revêtu d'une couche électrique- ment isolante. On voit en outre que le conducteur de deux spires consécutives (26, 27) s'applique de part et d'autre de l'âme 24. On retrouve la même structure en relation avec chacune des cales d'ancrage 3. La cale d'ancrage s'étend, au-dessus de chacun de ces deux conducteurs par une aile de support 25. Elle retient donc, contre les forces centripè- tes les deux conducteurs adjacents 26, 27. Il en va de même pour les autres cales d'ancrage 3. Il est toutefois bien évident que l'on aurait pu prévoir une cale d'ancrage par conducteur, ayant une seule aile d'un de ses côtés, ou plusieurs conducteurs de l'un ou des deux côtés de la cale. La cale d'ancrage peut être en verre epoxy. La cale 3 est mise en place, par coulissement dans la gorge 12. après la mise en place de la spire 26, après quoi la spire 27 est'poussée contre la cale 3. - - Entre la spire 27 et une spire suivante 2E, la figure 2 représente également un conduit 11 de section rectangulaire prévu pour la circulation d'un fluide de refroidissmerit, le même que celui qui se trouve à l'inté- rieur de la carcasse 1. Ce conduit 11 s'étend sur la longueur des cales d'ancrage, jusqu'à l'endroit o'i les spires commencent à diverger. La circulation du liquide de refroidissement a lieu en boucle le long de la totalité du périmètre des spires, d'abord dans les conduits 1 rectili- gnes, puis le long des conducteurs, dans l'espace compris entre la carcasse 1 et la paroi froide interne 4 du cryostat. On remarquera que la circulation du fluide, forcée au moyen d'un pompe, par exemple, permet de refroidir l'enroulement sur toute sa hauteur. Le bain procure une réserve de fluide assurant l'autonomie à l'égard d'une source cryogénique, pour une installation mobile. Mais, dans le cas o une telle source serait disponible, le bain de fluide dans la carcasse 1 pourrait ne pas exister, la circulation forcée s'effectuant en relation avec cette source. La couche formée par le conducteur de l'enroulement 2, les *mes 24 des cales d'ancrage 3 et les conduits de refroidissement 11 est une couche compacte. Lorsque l'enroulement est parcouru par un courant intense, comme on l'a exposé, elle est soumise à une force centripète unifor- me. Elle s'oppose donc d'elle-même à cette force par un effet de voûte, mais la raideur de cette couche est insuffisante. La présence de l'armature de soutien formée par la partie intérieure 15 de la carcasse 1, avec ses nervures de renforcement 16, 17, 18, de laquelle l'enroule- ment 2 est rendu solidaire par les cales d'ancrage 3, permet d'atteindre la résistance mécanique nécessaire. En dehors de cette partie intérieure de l'enroulement 2, les spires s'écartent l'une de l'autre et la carcasse 1 sert éventuellement à les maintenir à des écartements égaux, par exemple par le collage mentionné précédemment. La paroi interne 4 est appliquée contre les ailes de support des cales d'ancrage 3. Elle peut être collée à celles-ci, de manière à former une structure de support unitaire ancrée & l'armature. L'espace 5, dans lequel est fait le vide, contient un matelas superisolant. Un tel matelas, en matériau plas- tique alvéolaire partiellement aluminisé est très fragile et ne peut pas supporter d'efforts de compression. La rigidité mécanique de la structure interne s'arrêtant à la paroi 4 assure que de tels efforts ne lui seront pas appli- qués. L'écran thermique -7, par circulation d'azote liqui- de, avec ses cales, avant la paroi chaude du cryostat est d'un type connu. Il en va de même pour la paroi chaude 8 du cryos- tat,. pour la couche isolante 9 réduisant l'échauffement de la paroi 8 en présence d;une dissipation de chaleur de nature impulsionnelle dans l'enroulement secondaire 10 et, enfin, pour la nappe conductrice 10 et son frettage. On notera que l'incorporation de la paroi 9 présente un caractère facultatif. Il est bien évident que les descriptions qui précèdent n'ont été fournies qu'à titre d'exemple non limi- tatif et que de nombreuses variantes peuvent être imaginées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Transformateur hybride torique comprenant un enroulement primaire, supraconducteur en fonctionnement, un enroulement secondaire non supraconducteur, des moyens d'isolation électrique et thermique. ainsi qu'une armature supportant les forces centripètes s'exerçant sur l'enroule- ment primaire, caractérisé en ce que l'armature (1) soute- nant l'enroulement primaire (2) est disposée à l'intérieur des spires (20, 21 26, 27, 28) composant 1 'enroulement primaire et en ce que des moyens (3, 12) sont prévus pour coupler mécaniquement à l'armature au moins la partie de ces spires voisine de l'axe de symétrie (14> du trans- formateur torique et transmettre ainsi à l'armature les forces centripètes s'exerçant sur l'enroulement primaire. 2. Transformateur hybride torique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'armature (1) est une couronne de forme extérieure semblable à celle du transformateur torique, à la surface de laquelle sont bobi- nées les spires (20, 21; 26, 27, 28) de l'enroulement primaire, la partie de cette couronne tournée vers l'axe de symétrie du tore comprenant des moyens de rétention (3, 12) couplant au moins une partie correspondante de chaque spire à l'armature. 3. Transformateur hybride torique conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de rétention sont des cales d'ancrage (3) comprenant un corps d'assemblage (23) prévu pour s'insérer dans une gorge (12) de l'armature (1) et y être retenu par coopération de forme, une ame de liaison (24) prolongeant ledit corps d'assemblage (23) vers l'axe de symétrie (14) du tore sur l'épaisseur de l'enr oulement primaire (2) et une aile de support (25) au moins, s'étendant transversalement à partir de ladite âme, devant l'enroulement primaire, par rapport audit axe de symétrie, pour recevoir toute force centripète s'exerçant sur la partie d'enroulement devant laquelle elle se trouve et la transmettre à l'armature par ladite Éme et ledit corps d'assemblage. 4. Transformateur hybride torique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite armature contient un bain de liquide de refroidis- sement. 5. Transformateur hybride torique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des conduits (11) de liquide de refroidissement sont inclus dans l'enroulement primaire, entre lesdits moyens de réten- tion (3). 6. Transformateur hybride torique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enroulement primaire est recouvert de couches d'isolation électrique et thermique et porte ensuite directement l'en- roulement secondaire, lui-même isolé et recouvert d'un frettage. 7. Transformateur hybride torique conforme à la - revendication 5, caractérisé en ce que la circulation du liquide de refroidissement a lieu en boucle le long de la totalité du perimètre des spires, d'abord dans les conduits (11) rectilignes, puis le long des conducteurs, dans l'espace compris entre la carcasse (1) et.la paroi froide interne (4) du cryostat.