Brevet FR2823365A1 — publié le 20021011

ENROULEMENT ELECTRIQUE, SON PROCEDE DE REALISATION ET COMPOSANT ELECTROMAGNETIQUE INTEGRANT AU MOINS UN TEL ENROULEMENT DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un enroulement électrique conçu pour être utilisé dans un composant électromagnétique tel qu'une inductance, un transformateur ou une bobine électromagnétique. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un tel enroulement électrique, par bobinage. En outre, l'invention concerne également un composant électromagnétique intégrant un ou plusieurs enroulements de ce type. Etat de la technique Les composants électromagnétiques tels que les inductances et les transformateurs d'alimentation nécessitent pour leur fabrication de multiples enroulements de matériau conducteur, le plus généralement du cuivre. Pour fabriquer ces enroulements, on utilise actuellement deux techniques essentielles. Selon la technique la plus traditionnelle, les enroulements sont réalisés par bobinage d'un fil de cuivre à section circulaire autour d'un mandrin. La longueur totale du fil bobiné est fonction du nombre de spires et de la résistance recherchés. Le périmètre du mandrin est généralement constant et les spires peuvent être rangées ou non lors du bobinage. Dans le cas d'un transformateur, les enroulements primaires et secondaires sont isolés entre eux et par rapport à la masse. Cette technique traditionnelle présente un certain nombre d'inconvénients. En premier lieu, la superposition des couches se traduit par un encombrement important. De plus, les opérations d'isolation entre les enroulements primaires et secondaires, ainsi que la réalisation des liaisons électriques ne donnent pas l'assurance d'une parfaite reproductibilité. Par ailleurs, le fil d'entrée emprisonné au centre du bobinage, loin du fil de sortie, nécessite un raccordement électrique parfois pénalisant en volume et source de défaillance éventuelle. Au fur et à mesure que les réalisations industrielles gagnaient en compacité, on a vu se développer de nouvelles techniques de bobinage dites "planar". Une première de ces techniques utilise le procédé mis en oeuvre pour la fabrication des circuits imprimés traditionnels et est décrite le plus souvent sous la dénomination"PCB" (Printed Circuit Board). Une deuxième de ces techniques consiste en la découpe de spires auto-portées dans une plaque de cuivre et est décrite communément sous la dénomination"Lead Frame". L'approche"PCB"est plus particulièrement adaptée aux tensions élevées et faibles courants, alors que le "Lead Frame"convient mieux aux applications de faible tension et de courants élevés. Les deux techniques peuvent s'employer en simple couche ou couches multiples. Les"Planars PCB"sont obtenus, comme pour les circuits imprimés traditionnels, par enlèvement ou par apport de métal soit par sérigraphie, soit par découpe chimique. Le développement de ces techniques dans le domaine de la réalisation d'enroulements électriques a longtemps été freiné par la difficulté de mettre au point un bain de cuivrage chimique permettant de déposer une forte épaisseur de cuivre ductile. Comme on l'a représenté schématiquement sur la figure 1 des dessins annexés, les spires sont obtenues en effectuant des dépôts de cuivre sur les faces d'un ou plusieurs supports isolants 1, appelés"substrats". Plus précisément, les spires sont formées de pistes conductrices en cuivre revêtant une forme en spirale, en respectant une certaine distance entre les pistes pour assurer l'isolement électrique entre les spires. Dans le cas d'un transformateur, chacun des enroulements primaire et secondaire est formé de deux spirales séparées 2a, 2b, réalisées sur les deux faces opposées d'un même support isolant ou sur deux supports 1 distincts, comme représenté. Les deux spirales 2a, 2b formant un même enroulement présentent des tracés complémentaires, afin d'être de même sens électrique. La liaison électrique entre les extrémités centrales des deux spirales 2a, 2b d'un même enroulement est généralement assurée par un trou métallisé 3 qui traverse les supports isolants 1. Cette technique dite"planar PCB"procure un gain en compacité incontestable par rapport à la technique de bobinage classique, déjà décrite. Elle présente toutefois, elle aussi, certains inconvénients. Ces inconvénients concernent l'encombrement, les performances électriques et la fiabilité intrinsèque du composant obtenu. Ainsi, du fait que le point d'entrée de la piste conductrice est placé au centre de la spirale, chacun des enroulements doit être séparé en deux spirales complémentaires 2a, 2b dont les points de sortie sont tournés vers l'extérieur. Dans le cas contraire, il existerait un recouvrement de pistes qui pourrait occasionner une rupture d'isolement et l'apparition d'une excroissance. Les deux spirales 2a et 2b doivent donc être reliées électriquement en leurs centres au moyen de trous métallisés 3, comme on l'a décrit ci-dessus. En outre, si les spirales complémentaires 2a, 2b sont formées sur des supports isolants 1 distincts, ceux-ci doivent aussi être assemblés mécaniquement. Ces difficultés sont accrues lorsque le volume de cuivre à déposer est important (pour de forts courants) et lorsque le nombre de spires augmente (pour de fortes tensions). Dans ce cas, il faut multiplier le nombre des enroulements primaires et secondaires et, par conséquent, le nombre de supports isolants. En effet, l'épaisseur maximale d'une piste de cuivre susceptible d'être obtenue par découpe chimique est de l'ordre de 105 um, ce qui est très faible. Par ailleurs, du fait que le dépôt ne peut être effectué qu'avec du cuivre non isolé, une distance minimale d'isolation électrique doit être respectée entre deux sections d'un même enroulement, ce qui limite également le nombre de spires susceptibles d'être formées sur un même support isolant. Un autre inconvénient majeur de cette technique"planar PCB"concerne la nécessité de liaisons électriques internes nombreuses entre les extrémités centrales des spirales portées par les différents supports isolants, selon les axes de pistes conductrices. Cela rend la réalisation plus complexe et augmente les risques industriels (rebuts, moindre fiabilité dans le temps, moindre résistance à des environnements sévères, etc.). Les"planar Lead Frames"sont obtenus quant à eux par l'empilage de spires auto-portées préalablement découpées dans des plaques de cuivre. Cette technique présente des inconvénients presque identiques à ceux de la technique"planar PCB". Le cuivre utilisé est non isolé. Une couche d'isolant doit donc être insérée entre chaque paire de spires superposées, ce qui augmente l'espace occupé. Par ailleurs, les liaisons électriques internes entre les spires prédécoupées doivent nécessairement être effectuées par soudure, ce qui est malaisé et non automatisable dans le cas d'un nombre de spires important (la charge de soudure doit être décalée de couche en couche de façon à maintenir une géométrie plane à l'ensemble). Enfin, quand plusieurs enroulements (primaires et secondaires) sont nécessaires, les liaisons électriques externes sont alors complexes et coûteuses. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet un enroulement électrique dont la conception originale lui permet de s'affranchir des inconvénients des technologies existantes, et notamment de présenter une haute compacité, une grande fiabilité (car n'ayant recours à aucune liaison électrique interne ou externe), un très haut rendement électrique et un coût de réalisation réduit, tout en étant obtenu par un procédé de bobinage volumique classique et au moyen de fils conducteurs standards du commerce. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un enroulement électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un fil continu électriquement conducteur dont un premier tronçon est bobiné en spirale dans un premier sens, à partir d'un point milieu, et dont un deuxième tronçon est bobiné en spirale dans un deuxième sens, opposé au premier, à partir dudit point milieu, les premier et deuxième tronçons résultant de cette opération de bobinage étant continus et de même sens électrique. Dans cet agencement, il n'est fait recours à aucune liaison électrique interne ou externe entre les deux tronçons, ni à des supports isolants, ni à des pistes conductrices imprimées selon les principes de l'art antérieur. Les résultats annoncés sont ainsi obtenus en utilisant une technique permettant de réduire le coût et le temps de fabrication. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la spirale formée par le premier tronçon et la spirale formée par le deuxième tronçon ont un même nombre de spires. En variante, les spirales formées respectivement par le premier et par le deuxième tronçon peuvent aussi avoir un nombre de spires différent. Avantageusement, une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie du fil sont positionnées d'un même côté de l'enroulement, à l'extérieur des spirales formées par le premier et le deuxième tronçon. Cet agencement évite toute excroissance et perte de place. Dans ce dernier cas, les extrémités d'entrée et de sortie du fil sont, de préférence, sensiblement parallèles l'une à l'autre et situées dans le prolongement des spirales formées par le premier et le deuxième tronçon. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les deux tronçons de l'enroulement sont situés dans deux plans parallèles adjacents. Bien que l'invention s'applique à tout type de fil, on utilise avantageusement un fil isolé. Par ailleurs, le fil est généralement un fil de cuivre qui peut être monobrin ou multibrins, sans sortir du cadre de l'invention. Dans le même esprit, le fil peut être de section quelconque. Toutefois, dans un mode de réalisation avantageux permettant de reconstituer une géométrie plane (de type planar), le fil a une section sensiblement rectangulaire et est enroulé en spirale sur chant, c'est-à-dire dans un plan parallèle à la plus grande dimension du rectangle. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, deux fils sont superposés et enroulés simultanément, pour former deux enroulements imbriqués. Dans une variante de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, l'enroulement est noyé dans un bloc de résine électriquement isolante, obtenu par moulage. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un tel enroulement qui consiste, à partir d'un point milieu d'un fil continu électriquement conducteur, à bobiner en spirale un premier tronçon dudit fil dans un premier sens et à bobiner en spirale un deuxième tronçon dudit fil dans un deuxième sens, opposé au premier, de telle sorte que les premier et deuxième tronçons soient continus et de même sens électrique. Enfin, l'invention a également pour objet un composant électromagnétique intégrant au moins un enroulement électromagnétique tel que défini ci-dessus. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1, déjà décrite, est une vue en perspective représentant schématiquement un enroulement électrique réalisé selon la technique"planar"de l'art antérieur ; -la figure 2 est une vue en perspective illustrant schématiquement un enroulement électrique conforme à l'invention ; -les figures 3A et 3B sont des vues en perspective représentant un enroulement électrique conforme à l'invention, réalisé au moyen d'un fil de section rectangulaire, à deux étapes différentes de sa fabrication ; -la figure 4 est une vue en perspective éclatée représentant un transformateur de puissance de haute compacité, réalisé notamment à partir de plusieurs enroulements conformes à l'invention ; et - la figure 5 est une vue en perspective qui représente une variante de réalisation d'un enroulement conforme à l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation préféré de l'invention Comme le montre très schématiquement la figure 2, un enroulement électrique conforme à l'invention est formé à partir d'un fil continu 10 bobiné à partir d'un point milieu 12c. Un premier tronçon 12a du fil 10 forme une spirale de n spires bobinées dans un premier sens et un deuxième tronçon 12b du fil 10 forme une spirale de n spires bobinées dans un deuxième sens, opposé au premier. En d'autres termes, les tronçons 12a et 12b, après avoir été bobinés depuis le point milieu 12c dans un sens chacun différent, forment deux spirales superposées de même sens électrique. Le premier tronçon 12a et le deuxième tronçon 12b sont continus. Dans le mode de réalisation représenté, le point milieu 12c est situé précisément au milieu du fil 10 et le nombre n des spires des spirales formées par le premier tronçon 12a et par le deuxième tronçon 12b est le même. Dans une variante de réalisation non représentée, le nombre des spires des deux spirales est différent et le point milieu 12c n'est pas situé précisément au milieu du fil 10. Le fil 10 est fait d'un matériau électriquement conducteur. Ce matériau est généralement du cuivre. Toutefois, d'autres matériaux électriquement conducteurs peuvent être utilisés, dans certaines applications particulières. Le fil 10 est le plus souvent un fil monobrin. Cependant, l'invention autorise aussi l'utilisation d'un fil multibrin, également appelé"fil de Litz". L'utilisation de ce type de fil permet notamment de résoudre des problèmes de capacités parasites et d'effet de peau. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3a, 3b et 4, les enroulements sont réalisés à partir d'un fil de section sensiblement rectangulaire, appelé fil de type"méplat", enroulé en spirale sur chant, c'est-à-dire dans un plan parallèle à son plus grand côté. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ce sens d'enroulement et peut être mise en oeuvre sur plat, c'est-à-dire dans un plan parallèle à son plus petit côté, ou avec un fil de toute autre section, et notamment de section sensiblement circulaire. La taille de la section est également variable, selon l'application envisagée. L'utilisation d'un fil rond de 50 pm de diamètre comme celle d'un fil de beaucoup plus grosse section est possible. Le nombre de spires des deux tronçons constituant l'enroulement électrique peut être également variable. Dans le cas où le nombre de spires que doit atteindre l'enroulement est pair, on répartit avantageusement un nombre de spires égal entre les deux tronçons 12a et 12b. dans le cas où ce nombre est impair, un des deux tronçons est formé d'un nombre de spires pair et l'autre tronçon d'un nombre de spires impair complémentaire du nombre de spires total à atteindre. Dans ce cas et comme on l'a déjà indiqué, le point milieu 12c ne se trouve pas réellement au milieu du fil 10. Le premier tronçon 12a est situé dans un premier plan et le deuxième tronçon 12b est situé dans un deuxième plan parallèle et adjacent au premier, de façon à donner à l'enroulement complet une compacité maximale. Comme on l'a indiqué précédemment, le sens d'enroulement électrique des spirales formées par les tronçons 12a et 12b du fil 10 est identique alors que les sens de bobinage sont opposés. Cela signifie que, lorsqu'on regarde l'enroulement d'un côté (par exemple par le dessus sur la figure 2), le premier tronçon 12a est bobiné dans un sens (dans le sens des aiguilles d'une montre sur la figure 2) et le deuxième tronçon 12b est bobiné en sens inverse (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sur la figure 2), en allant de l'intérieur vers l'extérieur en partant du point milieu 12c. L'enroulement électrique formé par le fil continu 10 comprend ainsi, successivement, entre une extrémité d'entrée Ee et une extrémité de sortie Es, le premier tronçon 12a enroulé en spirale dans un premier plan, le point milieu 12c et le deuxième tronçon 12b enroulé en spirale dans un deuxième plan parallèle et adjacent au premier. Les tronçons 12a et 12b du fil 10 forment ainsi un enroulement unique, de même sens électrique, sans avoir recours à une liaison électrique interne distincte du fil 10. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention illustré sur les figures 2 à 4, les extrémités d'entrée Ee et de sortie Es du fil 10 sont positionnées d'un même côté de l'enroulement, à l'extérieur et dans le prolongement des spirales formées respectivement par le premier tronçon 12a et le deuxième tronçon 12b. Plus précisément, les extrémités d'entrée Ee et de sortie Es sont sensiblement parallèles l'une à l'autre. Cet agencement permet d'éviter toute excroissance et perte de place. Sur les figures 3A et 3B, on a illustré à titre d'exemple la fabrication d'un enroulement électrique conforme à l'invention, à partir d'un fil 10 de section sensiblement rectangulaire dit"méplat", bobiné sur chant. Cet agencement permet d'obtenir une très haute densité de matériau électriquement conducteur (c'est-à-dire généralement de cuivre) en préservant une géométrie plane particulièrement intéressante pour les applications qui nécessitent de forts courants électriques, dans un faible encombrement. En particulier, les courants électriques peuvent être très au-delà de la limite actuelle des enroulements de type"Planar"à circuits imprimés ou "Lead Frames"de l'art antérieur. Comme l'illustre la figure 3A, l'enroulement électrique est obtenu à partir d'un fil 10, dont on réalise le premier tronçon 12a en formant une spirale de n spires (dans le mode de réalisation représenté, n=2) à partir d'un point milieu 12c. Plus précisément, dans le cas représenté d'un fil de section sensiblement rectangulaire, le fil 10 est bobiné sur lui-même, sur chant, c'est-à-dire dans un plan parallèle à son côté de plus grande longueur. En considérant la figure 3A, l'enroulement se fait dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Lorsque le nombre de spires n désiré pour la spirale du premier tronçon 12a est obtenu, on réalise le deuxième tronçon 12b. A cet effet, on forme une autre spirale de n spires (ici, n=2) à partir du point milieu 12c, en bobinant le fil 10 sur lui-même dans un plan parallèle et adjacent à celui qui contient le premier tronçon 12a. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3B, l'enroulement est réalisé dans le sens des aiguilles d'une montre. Comme l'illustrent les figures 3A et 3B, l'invention permet de réaliser, sans difficulté technique particulière, des enroulements électriques pouvant présenter une grande densité de matériau électriquement conducteur et intégrant, si nécessaire, un grand nombre de spires dans un encombrement particulièrement faible. On peut ainsi réaliser, notamment, des inductances, des transformateurs ou des électro-aimants de haute densité. On observe également que l'invention assure, par construction et sans perte de place, un isolement efficace. En effet, l'utilisation d'un fil recouvert d'une gaine électriquement isolante, tel qu'un fil émaillé, assure l'isolation électrique requise, notamment pour tous les réseaux basse tension 24/28 V. Cette propriété, associée à l'absence de liaison électrique interne, au nombre de spires important et à la densité de cuivre élevée, permet de réduire les pertes cuivre, de diminuer les échauffements et de simplifier les appuis thermiques par rapport aux techniques de l'art antérieur. Elle permet aussi d'ouvrir cette technique vers de plus hautes tensions et des courants plus élevés. Dans le mode de réalisation décrit, on utilise un fil continu unique, bobiné sous la forme d'une spirale double, pour réaliser l'enroulement électrique. Dans une variante de réalisation non représentée, on réalise simultanément deux enroulements électriques, ou plus, à partir d'au moins deux fils que l'on superpose, puis que l'on bobine simultanément, selon le principe exposé précédemment, afin de réaliser deux doubles spirales continues imbriquées. Ces enroulements représentent alors, par exemple, les enroulements primaire et secondaire d'un transformateur. Les fils imbriqués peuvent alors être de même section ou de section différente. Sur la figure 4, on a représenté à titre d'exemple un transformateur de puissance obtenu en assemblant notamment plusieurs enroulements électriques conformes à l'invention. Dans le cas de la figure 4, le transformateur comprend deux enroulements demi primaires 14, placés de part et d'autre d'un enroulement secondaire 16. Les enroulements 14 et 16 sont réalisés à partir de fils émaillés de type"méplat"bobinés sur chant. Dans le cas de fortes puissances, des isolants 18 sont placés entre l'enroulement secondaire 16 et chacun des enroulements demi primaires 14. Des ferrites 20 sont disposées de part et d'autre de l'empilement ainsi formé, pour compléter le transformateur. Des isolants 18 sont aussi placés entre les ferrites 20 et les enroulements demi primaires 14. Comme on l'a illustré sur la figure 5, selon une variante de réalisation avantageuse de l'invention, l'ensemble de l'enroulement, à l'exception des extrémités d'entrée Ee et de sortie Es, est noyé dans un bloc de résine 22 électriquement isolante, par exemple de type époxy chargé d'alumine. Cet agencement, rendu possible par le gain de place obtenu grâce à l'invention, permet de plus forts niveaux d'isolement. La résine est alors moulée sur l'enroulement. Par rapport au mode de réalisation décrit précédemment, la variante de réalisation de la figure 5 procure des avantages technologiques supplémentaires importants. En effet, le moulage d'un bloc de résine permet une isolation optimale entre les différents enroulements électriques lorsque plusieurs de ces enroulements sont nécessaires. Le moulage du bloc de résine 22 permet aussi une isolation efficace entre l'enroulement électrique et la masse magnétique extérieure (la ferrite), une protecion des enroulements électriques contre toutes agressions possibles de l'environnement (projections, humidité, température, vibrations, pollutions, etc. ), un bon transfert thermique (évacuation des calories vers la structure), ainsi qu'un fini d'ensemble soigné et une géométrie plane parfaite facilitant l'assemblage avec les autres éléments constituant un"planar". Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple. Ainsi, comme on l'a déjà indiqué, la nature du matériau dans lequel est formé le fil, la forme et les dimensions de sa section, le nombre de spires, sont choisis en fonction de l'application envisagée. REVENDICATIONS 1. Enroulement électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un fil continu (10) électriquement conducteur dont un premier tronçon (12a) est bobiné en spirale dans un premier sens, à partir d'un point milieu (12c), et dont un deuxième tronçon (12b) est bobiné en spirale dans un deuxième sens, opposé au premier, à partir dudit point milieu (12c), les premier et deuxième tronçons (12a, 12b) étant continus et de même sens électrique. 2. Enroulement électrique selon la revendication 1, dans lequel la spirale formée par le premier tronçon (12a) et la spirale formée par le deuxième tronçon (12b) ont un même nombre de spires. 3. Enroulement électrique selon la revendication 1, dans lequel la spirale formée par le premier tronçon (12a) et la spirale formée par le deuxième tronçon (12b) ont un nombre différent de spires. 4. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une extrémité d'entrée (Ee) et une extrémité de sortie (Es) du fil (10) sont positionnées d'un même côté de l'enroulement, à l'extérieur des spirales formées par le premier et le deuxième tronçons (12a, 12b). 5. Enroulement électrique selon la revendications 4, dans lequel les extrémités d'entrée et de sortie (Ee, Es) du fil (10) sont sensiblement parallèles l'une à l'autre et situées dans le prolongement des spirales formées par le premier et le deuxième tronçons (12a, 12b). 6. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier tronçon (12a) et le deuxième tronçon (12b) sont situés dans deux plans parallèles adjacents. 7. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le fil (10) est isolé. 8. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel deux fils (10) sont superposés et bobinés simultanément, pour former deux enroulements imbriqués. 9. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le fil (10) a une section sensiblement rectangulaire et est enroulé en spirale sur chant, c'est-à-dire dans un plan parallèle à la plus grande dimension du rectangle. 10. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le fil (10) a une section sensiblement circulaire. 11. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le fil (10) est un fil électriquement conducteur monobrin. 12. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le fil (10) est un fil électriquement conducteur multibrins. 13. Enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel l'enroulement est noyé dans un bloc de résine électriquement isolante. 14. Procédé de réalisation d'un enroulement électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, à partir d'un point milieu (12c) d'un fil continu (10) électriquement conducteur, à bobiner en spirale un premier tronçon (12a) dudit fil dans un premier sens et à bobiner en spirale un deuxième tronçon (12b) dudit fil dans un deuxième sens, opposé au premier, de telle sorte que les premier et deuxième tronçons (12a, 12b) soient continus et de même sens électrique. 15. Composant électromagnétique comprenant au moins un enroulement électrique (14,16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.