Brevet FR2784788A1 — publié le 20000421

Tôle en E et transformateur constitué d'un empilement de telles tôles La présente invention concerne une tôle en E obtenue, par découpe sans perte, de tôle de dimension standard, ainsi qu'un transformateur constitué d'un empilement de telles tôles. Les transformateurs BF monophasés sont constitués de manière classique d'un empilement de tôles planes en E, chaque tôle plane en E étant fermée par une tôle en I. Tôles en E et en I constituent ainsi un circuit magnétique fermé. L'empilement des branches centrales des E des tôles en E constitue le noyau du transformateur. Ce noyau est équipé de bobinages. Ainsi, chaque transformateur comporte un enroulement primaire et un enroulement secondaire situés sur le circuit magnétique. Dans le cas de tôles en E, les enroulements primaire et secondaire entourent la branche centrale de la tôle en E. Ces tôles en E et en I sont obtenues par découpe d'une tôle de dimension standard dans laquelle on ménage en vis à vis deux tôles en E par enlèvement de deux lames qui correspondent aux deux tôles en I. Jusqu'à présent on réalisait ainsi des tôles en E dont la largeur de la branche centrale du E correspondait strictement au double de la largeur des branches latérales du E. Les inventeurs ont montré qu'en utilisant la mme surface qu'une tôle standard, il était possible, par une procédure simple et non coûteuse, d'augmenter la puissance massique rapportée au poids de matériau magnétique du transformateur ou de changer la nature des conducteurs utilisés pour les enroulements sans nuire à la puissance maximale du transformateur. Le but de la présente invention est donc de proposer une tôle en E et un transformateur obtenu par empilement de telles tôles dont la conception, en particulier au niveau des dimensions, permet, avec la mme surface qu'une tôle standard, d'augmenter de jusqu'à 20 % la valeur de la puissance massique rapportée au matériau magnétique du transformateur de destination, ou permet, sans réduction appréciable de la puissance maximale, de changer le matériau constitutif des enroulements primaire et secondaire (usuellement le cuivre) pour utiliser un matériau moins conducteur mais moins onéreux (par exemple l'aluminium). A cet effet, l'invention a pour objet une tôle en E, obtenue par découpe sans perte de tôle de dimension standard, pour la fabrication de transformateurs BF monophasés constitués d'un empilement de tôles planes en E fermées chacune par une tôle en I, l'empilement des branches centrales des tôles en E constituant le noyau du transformateur autour duquel sont disposés des enroulements, caractérisée en ce que, pour améliorer le rendement du transformateur, chaque tôle, réalisée de manière symétrique par rapport à l'axe transversal médian du dos du E, présente, pour une longueur du dos du E égale à 3 L, une largeur de la branche centrale du E égale à KL et une largeur des branches latérales du E égale à : L x (1-K/2), la valeur de K étant strictement supérieure à 1 et inférieure ou égale à 1,25 de sorte que la section du noyau du transformateur est augmentée sans ajout de matière. Grâce à la modification de la largeur de la branche centrale du E par augmentation de la largeur de cette dernière au détriment de la largeur des branches latérales du E, on obtient, pour une surface de tôle de départ identique, une tôle en E permettant l'obtention d'un transformateur aux performances améliorées et/ou à un coût moindre. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la valeur optimale de K à l'intérieur de la plage] 1-1, 25] est déterminée à partir de l'étude de la cartographie des températures en chaque point de la tôle établie à partir de la simulation du comportement de la tôle dans un transformateur, la température des branches latérales devant tre voisine de la température maximale des enroulements du transformateur en régime de pleine charge permanente, cette température maximale des enroulements étant inférieure à une température seuil définie par construction. L'invention a encore pour objet un transformateur BF monophasé constitué d'un empilement de tôles planes en E fermées chacune par des tôles planes en I, lesdites tôles en E et en I étant obtenues par découpe sans perte de tôle standard, caractérisé en ce que chaque tôle en E de l'empilement est du type précité. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente une vue de dessus d'une tôle de dimension standard sur laquelle des découpes ont été effectuées pour obtenir, par découpe sans perte, deux tôles en E et deux tôles en I conformes à l'invention ; la figure 2 représente une vue de dessus d'un assemblage d'une tôle en E et d'une tôle en I faisant parties de l'empilement nécessaire à la réalisation du circuit magnétique des transformateurs basse fréquence monophasés et la figure 3 représente la cartographie des températures des tôles en E et en I d'un transformateur. Les nouveaux outils informatiques permettent d'étudier les transformateurs BF monophasés de manière beaucoup plus approfondie que par le passé. Les méthodes et les logiciels de modélisation et de simulation actuels, en particulier à partir de la méthode des éléments finis, autorisent une approche moins conventionnelle que par l'observation des courants et des tensions. Les inventeurs de la présente invention ont donc mis à profit ces améliorations pour étudier la cartographie des champs et des températures en tout point d'un transformateur et en particulier du circuit magnétique. Appliquée à un transformateur monophasé à tôles E + I en régime de charge nominal, l'étude de ces cartographies permet d'observer deux particularités essentielles, à savoir : -le niveau d'induction est moins important aux périphéries du circuit magnétique (branches latérales 4 du E, dos 2 du E et barre 5 du I), -la température en régime d'équilibre est plus élevée dans les enroulements 7 et moins élevée dans les parties extérieures du circuit magnétique. A partir de cette étude, les inventeurs ont donc conclu qu'il était possible de réduire le volume de matériau magnétique où le niveau d'induction est moindre, c'est-à- dire dans les branches latérales du E, cette réduction devant s'accompagner d'une vérification de l'augmentation de température du matériau réduit, cette augmentation de température pouvant résulter de l'accroissement localisé de l'induction et des pertes fer correspondantes. Cette élévation de température doit rester dans des limites technologiques acceptables et ne doit pas provoquer indirectement en régime stabilisé un accroissement de la température maximale utilisée au niveau des bobinages ou enroulements 7. Les essais par simulation d'une part, et directement sur les échantillons d'autre part, ont montré que la température des matériaux magnétiques, après réduction du volume, s'élève essentiellement au niveau des branches latérales du E et peut rejoindre celle des enroulements observés au point le plus chaud sans que cette dernière évolue de manière sensible. On obtient alors une meilleure répartition et donc un équilibre thermique optimisé du transformateur. Ces observations ont permis de déterminer de manière précise la valeur de la largeur pouvant tre autorisée pour la branche centrale 3 du E, cet accroissement de la valeur de la largeur de la branche centrale du E correspondant à une réduction de la valeur de la largeur des branches latérales 4 du E de manière à pouvoir travailler avec des tôles de mme surface que celles utilisées à ce jour. Ces nouvelles dimensions ne nuisent toutefois en aucun cas à la découpe des tôles en E qui peut toujours s'obtenir par découpe sans perte de tôle de dimension standard. En effet, les tôles en E et en I sont obtenues à partir d'une tôle standard de dimension 3L x 4L identique à celles utilisées pour la réalisation de tôles en E classiques. Dans cette tôle, le positionnement des lignes de coupe a été modifié de telle sorte que les lames découpées servant à la réalisation des tôles en I sont écartées l'une de l'autre d'une distance KL. Elles sont par ailleurs écartées du bord libre de la tôle standard d'une distance x = L x (1-K/2). En conséquence, ce simple déport de la découpe des lames du I vers l'extérieur de la tôle permet d'obtenir un empilement de tôles qui aboutira à un transformateur dont le noyau est de plus grande dimension sans ajout de matière. La tôle en E résultant de la découpe de la tôle standard est telle que cette dernière est réalisée de manière symétrique par rapport à l'axe XX'transversal médian du dos 2 du E. Cette tôle 1 présente, pour une longueur du dos 2 du E égale à 3 L, une largeur de la branche centrale 3 du E égale à KL et une largeur des branches latérales 4 du E égale à L x (1-K/2), la valeur de K étant strictement supérieure à 1 et inférieure ou égale à 1,25. La valeur optimale de K à l'intérieur de cette plage est déterminée à partir de l'étude de la cartographie (figure 3) des températures en chaque point de la tôle établie à partir de la simulation du comportement de la tôle dans un transformateur, la température des branches latérales 4 du E devant rejoindre celle des enroulements 7 en régime de pleine charge permanente. On obtient ainsi, comme mentionné ci-dessus, une meilleure répartition des températures, donc un équilibre thermique optimisé. Pour obtenir un circuit magnétique en position fermée parfaitement équilibré, la largeur du dos 2 du E de la tôle 1 en E est égale à la longueur de l'espace libre 6 entre branche centrale 3 et branche latérale 4 du E. Ceci est également une condition pour obtenir une découpe sans perte de la tôle standard de départ. Dans les exemples représentés, la largeur du dos 2 du E est égale à L/2. La longueur de chaque branche 3,4 du E est quant à elle égale à la moitié de la longueur du dos 2. Pour permettre la réalisation d'un transformateur BF monophasé, les tôles en E et en I décrites ci-dessus sont empilées. Le nombre de tôles en E d'épaisseur e de l'empilement est égal à KL/e pour obtenir un noyau de transformateur, correspondant à l'empilement des branches centrales du E, de section carrée. Le fait d'avoir augmenté cette section du noyau central et donc d'avoir augmenté la quantité de fer du noyau permet de réduire le nombre de spires des enroulements à induction égale. Ce nombre de spires pouvant tre diminué dans un emplacement 6 de dimension identique à celle d'une tôle standard, il est alors possible d'augmenter la section du conducteur utilisé pour l'enroulement. On peut alors imaginer, à courant identique, de remplacer un matériau très conducteur comme le cuivre par un matériau moins conducteur et souvent moins cher et plus léger, tel que l'aluminium. En effet, à tension et fréquence données et induction maximale fixée, le produit N1S (produit du nombre N1 de spires primaires par la section S du noyau central) est fixé. Par suite, Ni est divisé par K si S est multipliée par K. On peut donc, avec la mme fentre de bobinage, multiplier approximativement la section des conducteurs par K2. Une valeur de K2 de 3/2 environ permettrait de passer du cuivre à l'aluminium. La valeur précise de K dépendra toutefois des résultats acquis par la modélisation magnéto-thermique effectuée sur la version cuivre. Pour les mmes raisons, on constate que le gain en puissance massique rapporté au seul matériau de la tôle, généralement du fer, est donc égal à : K x CTH, le CTH étant un coefficient réducteur lié à une légère baisse du régime de charge introduit pour maintenir la température au point le plus chaud (un endroit précis du cuivre déterminé par la modélisation magnéto-thermique) égale à celle que l'on aurait avec un transformateur à tôle standard de mme puissance nominale. Ce gain peut atteindre 20 % x CTH. REVENDICATIONS 1. Tôle (1) en E, obtenue par découpe sans perte de tôle de dimension standard, pour la fabrication de transformateurs BF monophasés constitués d'un empilement de tôles planes en E fermées chacune par une tôle (5) en I, l'empilement des branches centrales (3) des tôles (1) en E constituant le noyau du transformateur autour duquel sont disposés des enroulements (7), caractérisée en ce que, pour améliorer le rendement du transformateur, chaque tôle (1), réalisée de manière symétrique par rapport à l'axe transversal médian (XX') du dos (2) du E, présente, pour une longueur du dos (2) du E égale à 3 L, une largeur de la branche centrale (3) du E égale à KL et une largeur des branches latérales (4) du E égale à L x (1-K/2), la valeur de K étant strictement supérieure à 1 et inférieure ou égale à 1, 25 de sorte que la section du noyau du transformateur est augmentée sans ajout de matière. 2. Tôle selon la revendication 1, caractérisée en ce que la valeur optimale de K à l'intérieur de la plage] 1-1, 25] est déterminée à partir de l'étude de la cartographie des températures en chaque point de la tôle établie à partir de la simulation du comportement de la tôle dans un transformateur, la température des branches latérales devant tre voisine de la température maximale des enroulements du transformateur en régime de pleine charge permanente, cette température maximale des enroulements étant inférieure à une température seuil définie par construction. 3. Tôle selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la largeur du dos (2) du E de la tôle (1) en E est égale à la longueur de l'espace libre (6) entre branche centrale (3) et branche latérale (4) du E. 4. Tôle selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la largeur du dos (2) du E est égale à L/2. 5. Tôle selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la longueur de chaque branche (3, 4) du E est égale à la moitié de la longueur du dos. 6. Transformateur BF monophasé constitué d'un empilement de tôles planes en E fermées par des tôles planes en I, lesdites tôles en E et en I étant obtenues par découpe sans perte de tôle standard, caractérisé en ce que chaque tôle en E de l'empilement est conforme à l'une des revendications 1 à 5. 7. Transformateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le nombre de tôles en E d'épaisseur e de l'empilement est égal à KL/e.