Brevet FR2698219A1 — publié le 19940520

INSTALLATION DE TRANSMISSION,SANS CONTACT, DE PUISSANCE ELECTRIQUE La présente invention se rapporte à une installation de transmission, sans contact, de puissance électrique à une charge. I1 existe de nombreuses configurations pour lesquelles une charge doit être le plus possible isolée du monde extérieur, afin en particulier d'éviter que des vibrations ne puissent lui être transmises. Dans un satellite faisant par exemple partie d'un programme spatial scientifique, il est souhaitable qu'une "charge utile", constituée par exemple par des appareils de mesure ou par des essais expérimentaux, soit au maximum isolée des vibrations en vol du satellite. Cette charge utile étant elle-même montée sur un organe de support, communément dénommé "plateforme", la meilleure solution pour s ' affranchir de ces vibrations consiste alors à prévoir, en apesanteur, cette plateforme "flottante" dans une enveloppe. Les commandes sont alors transmises de 1' enveloppe à la charge utile par transmission à rayons infra-rouge, et la puissance électrique est fournie à cette charge utile par l'intermédiaire d ' au moins un transformateur d'énergie à secondaire flottant. L'énergie thermique qui résulte soit de la transformation de l'énergie électrique, soit d'une autre transformation (par exemple chimique), est évacuée à 1' aide d'un ensemble d ' ailettes radiatrices. Un transformateur flottant classique 5 est représenté schématiquement, en perspective, sur la figure 1 Jointe. I1 comporte une carcasse magnétique 1, une bobine d'enroulement primaire 2 qui est bobinée serrée autour de la carcasse magnétique 1, et une bobine d'enroulement secondaire 3 qui est bobinée autour de la carcasse magnétique sans toucher cette dernière, en laissant donc libre un espace d'air 4 entre cette carcasse 1 et cette bobine 3. Le secondaire 3 alimente une charge utile qui est prévue par exemple flottante ou du moins très bien isolée de l'environnement extérieur. Elle est en conséquence fixée mécaniquement sur cette charge. La carcasse i, et donc aussi l'enroulement primaire 2, est alors rendue solidaire du chassis porteur qui peut donc être soumis à des sollicitations mécaniques, telles que des vibrations. Ces sollicitations ne doivent en aucun cas être transmises à la charge utile, ce qui explique l'utilisation du secondaire "flottant" 3. Un inconvénient de l'utilisation d ' un tel transformateur flottant, inconvénient qui est même totalement prohibitif en apesanteur lorsque la charge utile et 1' enroulement secondaire sont laissés flottants, réside dans la "force statique" F qui tend, comme représenté par la flèche sur la Figure 1, à ramener la bobine secondaire 3 flottante vers la bobine primaire 2 fixe. L ' intervalle d' air 4 est en effet traversé par un flux de fuite qui est plus intense à l'intérieur de la boucle définie par la carcasse magnétique qu'à l'extérieur de cette boucle. I1 va en conséquence s'exercer sur l'enroulement flottant 3 une force électromagnétique F, dite "force statique", qui va avoir tendance à entrainer le déplacement de l'enroulement flottant 3 vers l'enroulement fixe 2. En apesanteur, l'enroulement 3 va finalement venir se coller contre la carcasse 1, ce qui annule 1' effet de transmission sans contact souhaité et rend donc inopérant le transformateur flottant 5. Par ailleurs, contrairement à ce que l'on croit de prime abord, le fait de prévoir cet intervalle d' air 4 entre la carcasse 1 reliée au milieu environnant et la bobine secondaire 3 reliée à la charge utile ne suffit pas à assurer une isolation mécanique parfaite de cette charge. I1 faut en effet en particulier compter avec la "raideur" électromagnétique du transformateur flottant, qui est justement due à cet espace d' air 4 et aux lignes de fuite du champ magnétique qui traversent ce même espace d'air. En supposant la carcasse 1 bien centrée par rapport à la bobine secondaire 3, tout déplacement relatif d va entrainer, selon une loi fondamentale bien connue, 1' apparition de forces électromagnétiques F qui vont naturellement tendre à s 'opposer à ce déplacement d. La force électromagnétique F de rappel s exprime, en fonction du déplacement relatif d, sous la forme: F = K.d le facteur K étant la "raideur" du transformateur flottant. I1 en résulte que, cette raideur K étant d'autant plus importante que la puissance transmise est élevée, le transformateur flottant va malheureusement transmettre au secondaire, malgré l'espace d'air 4, une proportion souvent prohibitive des vibrations ou autres déplacements mécaniques fortuits du primaire 2. Pour ces fortes puissances, 1 ' utilisation de câbles souples pour remplacer la liaison à transformateur flottant n'est pas concevable, en raison de la section importante des câbles nécessaire. L ' invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à une installation de transmission, sans contact, de puissance électrique à une charge, cette transmisson s'effectuant par au moins un transformateur flottant, c'est-à-dire un transformateur ayant une carcasse magnétique sur laquelle sont bobinés le ou les enroulements primaires d'une part et le ou les enroulements secondaires d'autre part, mais soit ces enroulements primaires soit ces enroulements secondaires étant montés flottants sur cette carcasse magnétique, caractérisée en ce que - cette carcasse magnétique est un cadre qui, de manière connue en soi, possède un plan de symétrie le divisant en deux moitiés égales - l'enroulement flottant, par exemple le secondaire, est en fait constitué de deux enroulements identiques qui sont, sur ce cadre, positionnés symétriquement par rapport à ce plan de symétrie - ces deux enroulements flottants identiques sont rendus mécaniquement solidaires - l'enroulement non flottant, par exemple le primaire, est positionné sur ce cadre de manière à induire un flux magnétique identique dans chacun de ces deux enroulements flottants ; et - ces deux enroulements flottants sont branchés en série, de manière à être parcourus par des courants égaux et de même sens. Avantageusement en outre, cette installation est équipée de moyens pour appliquer la puissance électrique à au moins l'enroulement flottant de ce transformateur sous forme d'une puissance dont la tension est, à puissance égale, beaucoup plus élevée que la tension appliquée à l'entrée de ladite installation, et dont en conséquence le courant est beaucoup plus faible que le courant correspondant à l'entrée de cette installation, de sorte que finalement la raideur électromagnétique de ce transformateur flottant est diminuée en raison de la diminution corrélative de l'intensité du courant qui parcourt le ou les enroulements flottants de ce transformateur. L ' invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante d ' un exemple non limitatif de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel Figure déjà décrite précédemment, représente un transformateur flottant classique de rapport 1/1; Figure 2 représente un premier exemple de transformateur flottant pouvant être utilisé dans une installation conforme à l'invention. Figure 3 est un schéma électrique synoptique de cette installation ; et Figures 4 et 5 sont respectivement une vue en perspective partielle et une vue en coupe longitudinale d ' un deuxième exemple de réalisation de ce transformateur flottant. En se référant à la figure 2, le transformateur flottant 6, de rapport de transformation 1/1 par exemple, possède une carcasse magnétique 7 sous forme de cadre "en huit" définissant trois branches parallèles dont une branche centrale 8 et deux branches d'extrémité 9 et 10, l'ensemble de ce cadre 7 étant symétrique par rapport au plan médian il qui contient l'axe de la branche centrale 8. L ' enroulement primaire de ce transformateur 6 est constitué par une bobine 21 qui, à l'instar de la bobine 2 de Figure 1, est montée en contact étroit sur la branche centrale 8. La bobine 21 comporte un nombre entier N de spires. L'enroulement secondaire de ce transformateur 6 est constitué par deux bobines 31 et 32 qui, à l'instar de la bobine 3 de Figure i, sont chacune prévues "flottantes" respectivement autour de la branche 9 et de la branche 10. Ces deux bobines 31 et 32 sont pratiquement identiques et ont chacune un nombre de spires égal à N/2, c'est-à-dire à la moitié du nombre de spires N de l'enroulement primaire 21. Du point de vue electrique, elles sont connectées en série, de façon à être à chaque instant parcourues par' un courant I de même intensité et de même sens. Compte-tenu du fait que le flux magnétique B est, dans chacune des branches 9 et 10, lui aussi à chaque instant symétrique par rapport au plan 11, il s'ensuit qu' avec les configurations représentées en Figures 2 et 3, les enroulements 31 et 32 sont alors alimentés en sens inverse comme représenté. Les deux bobines flottantes 31 et 32, qui constituent donc le secondaire de ce transformateur 6, sont par ailleurs rendues mécaniquement solidaires par deux pièces rigides d ' accouplement 12 et 13 qui sont vissées sur ces bobines. Elles sont en outre rendues mécaniquement solidaires de la charge flottante au moyen d'une liaison mécanique 14. L ' ensemble du transformateur 6 étant électriquement et mécaniquement symétrique par rapport au plan 11, il s'ensuit que la force statique F1 qui s'exerce sur la bobine 31 est égale et opposée à la force statique F2 qui s'exerce sur la bobine 32. Ces deux forces s 'annulent de sorte que finalement la force statique résultante sur le secondaire flottant 31 et 32 du transformateur 6 est nulle. En se reportant à la figure 3, il s'agit d'une installation de transmission d'une puissance continue P à une charge Z, cette transmission de puissance s ' effectuant, de façon à isoler mécaniquement le mieux possible cette charge Z, à travers un transformateur flottant 6, de rapport de transformation 1/1, identique à celui représenté en Figure 2 et décrit ci-dessus. Pour pouvoir utiliser ce transformateur 6, il est classiquement prévu un circuit 15 de conversion de puissance continue en puissance alternative (ou "convertisseur DC/AC") en entrée 16 de l'installation, et symétriquement de même un circuit 17 de conversion de puissance alternative en puissance continue (ou "convertisseur AC/DC") en sortie de l'installation. Conformément à l'invention, et afin de diminuer au maximum la raideur électromagnétique du transformateur flottant 6, des moyens sont prévus pour, à puissance transmise égale, faire fonctionner le transformateur 6 sous tension primaire et secondaire élevées, et donc avec des courants primaire et secondaire faibles. Ces moyens consistent à prévoir entre le convertisseur DC/AC 15 et le primaire 21 du transformateur flottant 6 un transformateur élévateur de tension 18 à petit rapport de transformation primaire/secondaire, par exemple de 1/6 permettant de passer de 50 volts à 300 volts environ; et entre le secondaire flottant 31,32 du transformateur 6 et le convertisseur AC/DC 17 un transformateur abaisseur de tension 19 à grand rapport de transformation primaire/secondaire, ce rapport étant préférentiellement inverse de celui du transformateur 18, et donc égal à 6/1 dans cet exemple. Le courant qui traverse les enroulements, primaire et secondaire du transformateur 6, et en particulier celui qui traverse son secondaire flottant 31,32, étant très faible, la raideur électromagnétique de ce transformateur flottant 6 est en conséquence très faible. Les figures 4 et 5 montrent un exemple de réalisation pratique du transformateur flottant selon Figure 2, appliqué au cas de la transmission de fortes puissances. Dans ce cas, l'enroulement primaire 21 ne comporte que deux spires (figure 4), tandis, que les deux enroulements secondaires 31 et 32 ne comportent qu'une seule spire. Les enroulements 31, 32 et leur liaison de solidarisation mécanique 12 sont réalisés par pliages à partir d'une seule et unique bande métallique rigide 20. Des cosses d'entrée 22 et de sortie 23 sont prévues respectivement pour le primaire 21 et le secondaire 31, 32 de ce transformateur. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d' être décrits. C ' est ainsi que le transformateur flottant 6 pourrait avoir une carcasse magnétique 7 d 'autre forme. Dans le cas d une carcasse rectangulaire simple, telle que la carcasse 1 de Figure 1, 1 'enroulement primaire peut alors être prévu en un endroit libre quelconque de celle-ci. C ' est ainsi également que 1 'utilisation de transformateurs élévateur 18 puis abaisseur 19 n' est pas impérative on pourrait très bien concevoir tout simplement d 'utiliser des convertisseurs DC/AC 15 et AC/DC 17 qui fournissent et recoivent respectivement une tension alternative très élevée, par exemple de l'ordre de plusieurs centaines de volts à voire même un ou plusieurs kilovolts. Le rapport de transformation primaire/secondaire du transformateur élévateur de tension 18 peut par exemple être compris entre environ 1/5 et 1/100, de façon à diminuer l'intensité du courant dans l T enroulement flottant d ' un facteur compris entre 5 et 100 environ. REVENDICATIONS 1 - Installation de transmission, sans contact, de puissance électrique (P) à une charge (Z), cette transmisson s'effectuant par au moins un transformateur flottant(6), c ' est-à-dire un transformateur ayant une carcasse magnétique (7) sur laquelle sont bobinés le ou les enroulements primaires (21) d'une part et le ou les enroulements secondaires (31, 32) d' autre part, mais soit ces enroulements primaires soit ces enroulements secondaires (31, 32) étant montés flottants sur cette carcasse magnétique (7), caractérisée en ce que - cette carcasse magnétique est un cadre (7) qui, de manière connue en soi, possède un plan de symétrie (11) le divisant en deux moitiés égales - l'enroulement flottant, par exemple le secondaire,est en fait constitué de deux enroulements identiques (31,32) qui sont, sur ce cadre (7), positionnés symétriquement par rapport à ce plan de symétrie (11) - ces deux enroulements flottants identiques (31,32) sont rendus mécaniquement solidaires (12,19) - 1 enroulement non flottant, par exemple le primaire (21), est positionné sur ce cadre (7) de manière à induire un flux magnétique (B) identique dans chacun de ces deux enroulements flottants (31,32) ; et - ces deux enroulements flottants (31, 32) sont branchés en série, de manière à être parcourus par des courants (I) égaux et de même sens. 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ce cadre (7) est un cadre "en huit", et en ce que l'enroulement non flottant (21) est bobiné autour de la branche centrale (8) de ce cadre, tandis que les deux enroulements flottants (31, 32) sont respectivement bobinés sur les deux autres branches (9, 10) de ce cadre. 3 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les deux enroulements flottants (31, 32) et leur liaison de solidarisation mécanique (12) sont réalisés par pliages à partir d'une seule et unique bande métallique rigide (20). 4 - Installation selon d ' une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est équipée de moyens (16, 18) pour appliquer la puissance électrique (P) à au moins les enroulements flottants (31, 32) de ce transformateur sous forme d'une puissance dont la tension est, à puissance (P) égale, beaucoup plus élevée que la tension appliquée à l'entrée (16) de l'installation, et dont en conséquence le courant est beaucoup plus faible, de sorte que finalement la raideur électromagnétique de ce transformateur flottant (6) est diminuée en raison de la diminution corrélative de l ' intensité du courant qui parcourt le ou les enroulements flottants (3) de ce transformateur (6). 5 - Installation de transmission de puissance électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens (16, 18) sont prévus pour diminuer d'un facteur compris entre 5 et 100 l'intensité du courant dans les enroulements flottants (31, 32) du transformateur (6). 6 - Installation selon 1 'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un transformateur élévateur de tension (18) en amont du transformateur flottant (6) et un transformateur abaisseur de tension (19) en aval de ce transformateur flottant (6). 7 - Installation selon 1 'une des revendications 4 à 6, pour la transmission par au moins un transformateur flottant (6) d une puissance continue (P) à une charge (Z), caractérisée en ce qu'elle comporte successivement, entre l'entrée (16) de l'installation et la charge (Z), au moins - un convertisseur continu-alternatif (15); - un transformateur élévateur de tension(18); - le transformateur flottant (6); - un transformateur abaisseur de tension (19); et - un convertisseur alternatif-continu (17). 8 - Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le transformateur élévateur de tension (18) et le transformateur abaisseur de tension (19) sont de rapports de transformation sensiblement égaux mais inverses. 9 - Installation selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que ledit transformateur élévateur de tension (18) a un rapport de transformation primaire/secondaire compris entre 1/5 et 1/100. 10 - Installation selon l'une des revendications 4 ou 5, pour la transmission par au moins un transformateur flottant (6) d'une puissance continue (P) à une charge (Z), caractérisée en ce qu'elle comporte successivement, entre l'entrée (16) de l'installation et la charge (Z) un convertisseur continu-alternatif (15) qui délivre une tension alternative de valeur élevée, et donc une intensité de courant correspondant faible; le transformateur flottant (6); et un convertisseur alternatif-continu (17).