Brevet FR2916298A1 — publié le 20081121

Refroidissement du noyau magnétique d'une bobine d'induction La présente invention concerne La présente invention concerne un noyau magnétique pour bobine d'induction, et plus particulièrement un tel noyau comprenant : une pluralité de paquets de tôles en matériau magnétique séparés par des entrefers en matériau isolant, lesdits paquets étant disposés les uns à la suite des autres le long d'un axe du noyau avec les tôles parallèles à l'axe et les entrefers perpendiculaires à l'axe ; - au moins un tirant traversant chaque paquet de tôles perpendiculairement à l'axe pour assurer la solidarisation desdites tôles de chaque paquet ; - et une tôle maîtresse plaquée par lesdits tirants de chaque côté de ladite pluralité de paquets parallèlement aux tôles pour assurer la solidarisation des éléments du noyau. II existe deux types d'inductances utilisés dans les équipements, à savoir les inductances dites "à air" et les inductances dites "à fer". Les inductances à air ont l'avantage de ne pas saturer, mais sont volumineuses et présentent le risque de rayonner et d'induire des courants de Foucault dans tous conducteurs à proximité immédiate. Les inductances à fer comportent un noyau en fer qui permet de mieux canaliser le flux magnétique, ce qui en fait des inductances compactes avec un risque de rayon- nement nettement plus bas que les inductances à air. Ces inductances sont souvent plus appropriées pour être mise en armoire. L'inconvénient majeur pour les inductances à fer concerne les pertes dans le noyau de fer. Ces pertes fer, qui se décomposent en pertes par hystérésis et en pertes par courants induits, augmentent très rapidement avec la fréquence du courant dans les enroulements, au point que les pertes aux bar- moniques peuvent être prépondérantes par rapport au fondamental. On conçoit typiquement des inductances qui génèrent une densité de perte maximale de l'ordre de 3WIkg. Si sur une première conception, ce niveau est dépassé, on ajoute des entrefers pour limiter le champ magnétique et donc les pertes fer, mais en contrepartie, on doit augmenter le nombre d'enroulements et la section de fer. Dans les inductances pour moteurs à grande vitesse, les inductances sont traversées par un courant fondamental de fréquence élevée, avec un contenu harmonique important. II en résulte que les inductances prennent des dimensions importantes avec une large section de fer et de nombreux enroulements, ces inductances présentent alors des pertes par conduction très importantes également (la dissipation de l'inductance seule est aussi importante que la dissipation de tous les autres éléments (IGBT, diodes...). La présente invention vise à palier ces inconvénients. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un noyau magnétique pour bobine d'induction comprenant : - une pluralité de paquets de tôles en matériau magnétique séparés par des entrefers en matériau isolant, lesdits paquets étant disposés les uns à la suite des autres le long d'un axe du noyau avec les tôles parallèles à l'axe et les entrefers perpendiculaires à l'axe ; - au moins un tirant traversant chaque paquet de tôles perpendiculairement à l'axe pour assurer la solidarisation desdites tôles de chaque paquet ; - et une tôle maîtresse plaquée par lesdits tirants de chaque côté de ladite pluralité de paquets parallèlement aux tôles pour assurer la solidarisation des éléments du noyau ; caractérisé par le fait que ladite tôle maîtresse est réalisée dans un matériau amagnétique conducteur de la chaleur, et que ledit noyau comprend en outre au moins un tube de refroidissement soudé sur au moins une des tôles maîtresses, des moyens étant en outre prévus pour raccorder ledit au moins un tube de refroidissement à un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement. Ainsi la tôle maîtresse, outre sa fonction traditionnelle de support mécanique, fait office de collecteur de chaleur et de radiateur, le fluide circulant dans les tubes de refroidissement emportant les calories collectées par la tôle maîtresse et assurant le maintien en température du noyau magnétique et le fonctionnement convenable de la bobine d'induction à laquelle il est destiné. Dans un mode de réalisation particulier, deux tubes de refroidissement sont sou-dés sur chaque tôle maîtresse parallèlement à l'axe du noyau. Plus particulièrement, chaque tirant peut posséder à chacune de ses extrémités une tête dépassant de la tôle maîtresse respective, lesdites têtes étant alignées parallèlement à l'axe, les deux tubes de refroidissement étant soudés sur chaque tôle maî- tresse de part et d'autre de l'alignement des têtes de tirants. L'invention à également pour objet une bobine d'induction comprenant un circuit magnétique comportant au moins un noyau magnétique tel que décrit ci-dessus. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'une bobine d'induction triphasée selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. On voit à la figure 1 un ensemble triphasé de trois bobines d'induction la, lb et 1c. Du circuit électrique, seul le bobinage 2 de la bobine 1b a été représenté à titre d'exemple. L'ensemble du circuit électrique, y compris les connexions, sont de type connu et n'ont donc pas été représentés. L'ensemble de la figure 1 comprend donc trois bobinages enroulés sur trois noyaux magnétiques, dont le bobinage 2 de la bobine 1 b enroulé sur le noyau 3, ce dernier étant représenté en coupe sur la figure 2. Les trois noyaux sont, de façon habituelle, disposés parallèlement et raccordés aux éléments 4 de retour de flux du circuit magnétique. Chaque noyau magnétique est composé de façon connue d'un ensemble de paquets de tôles 5 en matériau magnétique, typiquement en fer, l'un de ces paquets étant représenté en coupe axiale à la figure 2. On observera qu'un tel noyau est générale-ment cylindrique et comporte un axe 6. Les paquets 5 sont formés de tôles individuelles 7 dont les plans sont parallèles à l'axe 6, découpées selon différents motifs de manière que leur assemblage ait une section se rapprochant de la section circulaire de la bobine pour optimiser la circulation du flux magnétique. Toutes les tôles 7 d'un même paquet 5 sont percées en leur centre d'un trou 8 dans lequel est disposé, sans contact avec les tôles, un tube 9 réalisé en matériau isolant. Un tirant 10 est engagé l'intérieur du tube 9. Les différents paquets de tôles d'un noyau magnétique sont disposés les uns à la suite des autres le long de l'axe 6 du noyau, séparés par des entrefers 11, comme mon- tré à la figure 1. Les entrefers 11 sont constitués de plaques en matériau isolant électriquement disposées perpendiculairement à l'axe 6. Le matériau isolant électriquement des entrefers 11 est également isolant thermiquement, ce qui présente l'inconvénient de favoriser un échauffement du noyau, que l'invention vise à pallier. L'assemblage des paquets de tôles 5 et des entrefers Il d'un noyau est assuré à l'aide de deux tôles maîtresses 12 en aluminium, disposées de part et d'autre du noyau, parallèlement aux tôles et à l'axe du noyau. Ces tôles 12 sont généralement rectangulaires et pressent les paquets de tôles 5 sur toute la longueur axiale du noyau. Les tôles maîtresses 12 sont percées en vis-à-vis des trous 8 des tôles de sorte qu'elles sont traversées par les tirants 10. Les tubes 9 sont en appui sur les tôles maîtresses 12 du côté des tôles 7. Les tôles maîtresses 12 en aluminium assurent la conduction de la chaleur d'un paquet de tôles aux paquets adjacents, tout en prévenant la circulation des flux magné-tiques. Les tirants 10 pressent les tôles 7 par l'intermédiaire des tôles maîtresses 12. A cet effet, les tirants 10 sont en appui sur les tôles maîtresses 12 à l'aide de leurs têtes 13, par exemple des écrous vissés sur les extrémités filetées des tirants 10. Des rondelles isolantes 14 sont interposées entre les têtes 13 des tirants 10 et les tôles maîtresses 12. Les têtes 13 des tirants 10 sont généralement alignées parallèlement à l'axe 6. Le tube 9 et les rondelles 14 assurent l'isolation électrique du tirant 10 vis-à-vis des tôles maîtresses 12, limitant la circulation des courants induits qui pourraient provoquer un échauffement important du tirant. Deux tubes de refroidissement 15 sont soudés à l'extérieur de chaque tôle maîtresse 12, du côté opposé aux tôles 7. Les tubes 15 sont ici parallèles à l'axe 6. Les deux extrémités de chaque tube 15 sont munies de raccords 16 (figure 1) permettant de raccorder chaque tube à un circuit 17 de circulation de fluide de refroidissement. Une pompe non représentée est montée sur le circuit 17 pour assurer la circulation du fluide de refroidissement. Les calories dégagées dans les paquets de tôles 5 sont donc collectées par les tôles maîtresses 12 et évacuées par le fluide circulant dans les tubes de refroidisse- ment 15. REVENDICATIONS 1.- Noyau magnétique pour bobine d'induction comprenant : - une pluralité de paquets (5) de tôles (7) en matériau magnétique séparés par des entrefers (11) en matériau isolant, lesdits paquets étant disposés les uns à la suite des autres le long d'un axe (6) du noyau avec les tôles parallèles à l'axe et les entrefers perpendiculaires à l'axe ; au moins un tirant (12) traversant chaque paquet de tôles perpendiculaire-ment à l'axe pour assurer la solidarisation desdites tôles de chaque paquet ; et une tôle maîtresse (12) plaquée par lesdits tirants de chaque côté de ladite pluralité de paquets parallèlement aux tôles pour assurer la solidarisation des éléments du noyau ; caractérisé par le fait que ladite tôle maîtresse est réalisée dans un matériau amagnétique conducteur de la chaleur, et que ledit noyau comprend en outre au moins un tube de refroidissement (15) soudé sur au moins une des tôles maîtresses, des moyens (16) étant en outre prévus pour raccorder ledit au moins un tube de refroidissement à un circuit (17) de circulation d'un fluide de refroidissement. 2.- Noyau magnétique selon la revendication 1, comprenant deux tubes de refroidissement soudés sur chaque tôle maîtresse parallèlement à l'axe du noyau. 3.- Noyau magnétique selon la revendication 2, dans lequel chaque tirant pos- sède à chacune de ses extrémités une tête (13) dépassant de la tôle maîtresse respective, lesdites têtes étant alignées parallèlement à l'axe, les deux tubes de refroidisse-ment étant soudés sur chaque tôle maîtresse de part et d'autre de l'alignement des têtes de tirants. 4.- Bobine d'induction, caractérisée par le fait qu'elle comprend un circuit magné- tique comportant au moins un noyau magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.