Brevet FR2959858A1 — publié le 20111111

La présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement pour un composant magnétique comportant une bobine constituée d'un enroulement de conducteurs isolés électriquement définissant une surface d'échange thermique. Il est connu d'utiliser des équipements électriques comprenant une bobine de conducteur isolé électriquement par du vernis diélectrique enroulée autour d'un circuit magnétique ou carcasse réalisé en matériau ferromagnétique comme du fer. Ces équipements électriques sont notamment utilsés pour la 10 fabrication de transformateursou d'inductances. Les performances d'un composant magnétique sont essentiellement liées à la température que peuvent supporter ses constituants. Cependant, ceux-ci sont hétérogènes et ne supportent donc pas tous la température de la même façon. 15 La chaleur générée par un composant magnétique est issue de l'effet joule produit par les pertes dues à la résistance du fil de cuivre de la bobine lors du passage du courant et par l'effet joule généré par les pertes dues aux courants de Foucault généré dans le circuit magnétique en fer. Les pertes dans le circuit magnétique et les pertes dans la bobine 20 n'ont pas de relation permettant de déterminer la valeur de l'une par rapport à l'autre. De plus, le fer et le cuivre sont thermiquement peu couplés. Dans beaucoup de cas, les pertes dans le circuit magnétique sont faibles, par exemple pour les inductances avec peu d'ondulation de courant, ou pour la ferrite utilisée à une fréquence modérée. 25 Par contre, les pertes dans la bobine sont largement plus importantes. Un composant magnétique performant, c'est-à-dire léger et à moindre coût, pour une fonction donnée est obtenu en général : - en utilisant les matériaux dans des conditions limites à leur 30 dégradation, ce qui a pour effet d'augmenter les pertes par unité de volume, - en utilisant des matériaux supportant une température élevée, en particulier pour les diélectriques qui constituent le facteur limitant, et - en utilisant un dispositif de refroidissement efficace. En conséquence, à défaut d'utiliser de nouveaux matériaux, pour 35 optimiser les performances d'un composant magnétique, l'homme du métier est conduit en priorité à améliorer le refroidissement du cuivre. Les pertes produites à l'intérieur d'une bobine doivent traverser deux résistances thermiques en série pour atteindre l'air de refroidissement et se dissiper par convection : - la résistance thermique de conduction de l'intérieur de la bobine 5 jusqu'à sa surface, - la résistance thermique d'échange de surface. La résistance thermique de conduction à l'intérieur d'une bobine est due essentiellement à l'épaisseur des diélectriques. Les diélectriques sont environ mille fois moins bon conducteurs thermiques que le cuivre. Plus 10 l'épaisseur du diélectrique est grande et plus la résistance thermique à l'intérieur de la bobine sera élevée. En contrepartie, si l'épaisseur du diélectrique de la bobine est trop faible, les risques de déterioration de celui-ci augmentent et des court-circuits d'une ou de plusieurs spires de la bobine peuvent apparaître. 15 Pour diminuer la résistance thermique d'échange de surface, il faut augmenter la vitesse de l'air circulant autour de la surface extérieure de la bobine et/ou augmenter la surface d'échange. Il est connu d'augmenter la vitesse de l'air à l'aide d'un ventilateur. Cependant, la vitesse de l'air généré par le ventilateur est limitée si l'on veut 20 conserver un ventilateur silencieux. Il est également connu d'augmenter la surface d'échange en couplant thermiquement la bobine avec un refroidisseur à ailettes, lui-même ventilé. La performance est ainsi améliorée car on a à la fois une augmentation de la surface d'échange et une augmentation de la vitesse de l'air autour de la 25 bobine. La présente invention a pour but de diminuer la résistance thermique d'échange de surface. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement pour un composant magnétique comportant au moins une 30 bobine constituée d'un enroulement de conducteurs isolés électriquement définissant une surface d'échange thermique, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte un drain thermique, réalisé en un matériau à forte effusivité thermique, comportant une première surface comprenant une portion présentant une forme sensiblement complémentaire à une portion de la surface 35 d'échange thermique de la bobine de façon à définir une première zone de contact entre le drain thermique et l'au moins une bobine, ladite première zone de contact s'étendant sur au moins 50% de ladite surface d'échange thermique, et une semelle, réalisée en un matériau à forte effusivité thermique, comportant une première surface comprenant une portion présentant une forme sensiblement complémentaire à une portion d'une seconde surface du drain thermique de façon à définir une seconde zone de contact entre le drain thermique et la semelle. Cette disposition permet d'augmenter les performances du composant magnétique en diminuant la résistivité thermique d'échange de surface à la surface de l'au moins une bobine. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de fixation destinés à assurer le maintien mécanique de l'au moins une bobine sur le drain thermique et du drain thermique sur la semelle au niveau de la première zone de contact et de la seconde zone de contact. Selon le même mode de réalisation, les moyens de fixation 15 comprennent une sangle, de préférence en inox. Selon un mode de réalisation, le drain thermique a une forme de « U », la surface intérieure du « U » correspondant à la portion de la première surface de forme sensiblement complémentaire à la portion de la surface d'échange thermique de l'au moins une bobine définissant la première zone de 20 contact. Selon un mode de réalisation, le drain thermique présente une épaisseur comprise entre 2 mm et 5 mm sur toute sa section. Selon un mode de réalisation, la semelle présente une épaisseur comprise entre 5 mm et 15 mm. 25 Selon le même mode de réalisation, la semelle présente une épaisseur comprise entre 8 mm et 10 mm Selon un mode de réalisation, la première zone de contact s'étend sur au moins 75 % de la surface d'échange thermique de l'au moins une bobine. 30 Selon un mode de réalisation, le composant magnétique, le drain thermique et la semelle sont imprégnés avec un vernis, de préférence de classe H. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte un refroidisseur tel un dissipateur à ailettes couplé thermiquement avec la 35 semelle. Selon le même mode de réalisation, la semelle présente des moyens de fixation au refroidisseur. La présente invention a également pour objet un composant magnétique équipé d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce dispositif. La figure 1 est une vue en perspective illustrant le principe à la base du dispositif. La figure 2 est une vue de face et en coupe du dispositif sans circuit magnétique. La figure 3 est une vue de dessus du dispositif. La figure 4 est une vue de côté du dispositif. Comme il est montré à la figure 1, un dispositif de refroidissement 1 selon l'invention est adapté à un composant magnétique 2 comportant une bobine 3, le dispositif de refroidissement 1 comportant un drain thermique 4 et une semelle 5, tous deux réalisés en une seule pièce en aluminium ou en cuivre. La bobine 3 est constituée d'un enroulement de conducteurs (non apparant) isolés électriquement et centrés autour d'un axe d'enroulement A. Dans l'exemple présenté, cet enroulement confère à la bobine 3 une forme sensiblement parallélépipédique avec deux bases sensiblement rectangulaires s'étendant transversalement à l'axe d'enroulement A de la bobine 3, jointes par un contour s'étendant longitudinalement à l'axe d'enroulement A de la bobine 3. Ce contour est fermé et représente pour la bobine 3 une surface d'échange thermique 6 avec l'extérieur. Comme montré sur cette même figure 1, le drain thermique 3 s'étend tout le long de la bobine 3 et comporte une section en forme en « U » transversale à l'axe d'enroulement A. Cette forme en « U » permet l'insertion de la bobine 3 dans le drain thermique 4. La surface intérieure 8 du drain thermique 4 en forme de « U » et une portion de la surface fermée d'échange thermique 5 formée sur le contour de la forme parallélépipédique de la bobine 2 présentent des formes sensiblement complémentaires. Cette complémentarité engendre une première zone de contact ZC1 entre la bobine 3 et le drain thermique 4. Cette portion de la surface fermée d'échange thermique 6 est ici constituée par trois des quatres côtés du contour de la bobine 3 de forme sensiblement parallélépipédique. Sur la figure 2, il est possible de s'apercevoir qu'une fois insérée, la 5 surface intérieure 8 du drain thermique 4 n'est pas totalement mise au contact de la portion de surface formée par les trois côtés de la bobine 3. le composant magnétiqueComme montré sur la figure 2, le composant magnétique 2 comporte un circuit magnétique 11 ou carcasse. Celui-ci est réalisé en fer et composé d'une partie intérieure 12 disposée à 10 l'intérieur de la bobine 3 et d'une partie extérieure 13 disposée à l'extérieure de la bobine 3. Le circuit magnétique 11 est maintenue sur la bobine 3 à l'aide d'un dispositif de calage 14 très légèrement souple intercalé entre les deux parties du circuit magnétique 11 et la bobine 3. 15 Ce dispositif de calage 14 a plusieurs fonctions dont celles de centrer la partie intérieure 12 dans la bobine 3, d'isoler électriquement le circuit magnétique 11 de la bobine 3, et celle d'absorber les éventuelles vibrations du circuit magnétique 11. La semelle 5 quant à elle, supporte le drain thermique 4 sur une 20 portion d'une seconde surface 9 du drain thermique 4 correspondant à la surface extérieure de la forme en « U » du drain thermique 4. Comme illustré sur les différentes figures, cette portion de la surface 9 du drain thermique 4 est plane et vient au contact d'une portion d'une première surface 15 de la semelle 5 de forme complémentaire. 25 Ce contact engendre une seconde zone de contact ZC2 entre le drain thermique 4 et la semelle 5. La semelle 5 présente une forme générale parallélépipédique par exemple de 8 à 10 mm d'épaisseur. La portion de la surface 15 de la semelle 5 supportant le drain 30 thermique 4 est centrée sur la première surface 15 de la semelle 5. La semelle 5 comporte quatre passages 17 opposés deux à deux et répartis de part et d'autre de la semelle 5 transversalement aux deux tranches de plus grande surface de la forme parallélépipédique dans laquelle s'inscrit la semelle 5. 35 Ces passages 17 s'étendent sensiblement jusqu'au niveau de la second zone de contact ZC2. Deux rainures 18 de la largeur des passages 17 sont agencées sur une seconde surface 16 opposée à la première surface 15 de la semelle 5 de forme générale parallélépipédique. Ces rainures 18 raccordent deux à deux les quatres passages 17. Les passages 17 ainsi que les rainures 18 permettent le passage de deux sangles 19, par exemple réalisée en inox. Ces deux sangles 19 assurent le maintien mécanique de l'ensemble constitué par le composant magnétique 2, le drain thermique 4 et la semelle 5. En particulier, les deux sangles 19 portent sur la partie extérieure 12 du circuit magnétique 11 de le composant magnétique 2, sur la surface extérieure 9 du drain thermique 4 en forme de « U » et sur les rainures 18 agencés dans la semelle 5. Sans les passages 17, les sangles ne porteraient pas ou peu sur la 15 surface extérieure 9 du drain thermique 4. Selon l'invention, le maintien mécanique de cet ensemble est amélioré en l'imprégnant d'un vernis, de préférence de classe H. La semelle 5 comporte également des moyens de fixation 20 permettant de la fixer sur un refroidisseur 21, tel par exemple un dissipateur à 20 ailettes 21 illustré à la figure 4. Ces moyens de fixations 20 peuvent par exemple être constitués par des vis (non illustrées) traversant des orifices 22 ménagés dans la semelle 5. Ainsi, lors de l'utilisation d'un composant magnétique 2 équipé d'un 25 dispositif de refroidissement 1 selon l'invention, la résistance thermique d'échange à la surface de la bobine 3 est davantage diminuée permettant une évacuation accrue de la chaleur au travers tout d'abord du drain thermique 4, puis de la semelle 5 et enfin plus classiquement au travers du refroidisseur 21 pouvant être équipé d'un ventilateur (non illustré). 30 Les sangles 19 permettent une amélioration du couplage thermique en améliorant le contact entre d'une part la bobine 3 et le drain thermique 4 sur la première zone de contact ZC1 et d'autre part entre le drain thermique 4 et la semelle 5 sur la seconde zone de contact ZC2. Les moyens techniques mis en oeuvre dans l'invention permettent 35 d'obtenir des équipements électriques 2 présentant des performances de 20 à 30% supérieure à celle d'un composant magnétique 2 ventilé de manière classique. Le dispositif de refroidissement 1 permet de placer la bobine 3 en zone étanche, ce qui permet de la concevoir avec un degré de pollution plus faible. De plus, cette étanchéité de la bobine 3 atténue d'au moins 30 dB le bruit acoustique généré par le composant magnétique 2, ce qui ne peut pas être obtenu facilement avec des absorbants et des chicanes en ventilation classique. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) comportant au moins une bobine (3) constituée d'un enroulement de fil conducteur isolé électriquement définissant une surface d'échange thermique (6), ledit dispositif (1) étant caractérisé en ce qu'il comporte : - un drain thermique (4), réalisé en un matériau à forte effusivité thermique, comportant une première surface (8) comprenant une portion présentant une forme sensiblement complémentaire à une portion de la surface d'échange thermique (6) de l'au moins une bobine (3) de façon à définir une première zone de contact (ZC1) entre le drain thermique (4) et la bobine (3), ladite première zone de contact (ZC1) s'étendant au moins sur 50% de ladite surface d'échange thermique (6), et - une semelle (5), réalisée en un matériau à forte effusivité thermique, comportant une première surface (15) comprenant une portion présentant une forme sensiblement complémentaire à une portion d'une seconde surface (9) du drain thermique (4) de façon à définir une seconde zone de contact (ZC2) entre le drain thermique (4) et la semelle (5). 2. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon la revendication 1 comprenant des moyens de fixation (19) destinés à assurer le maintien mécanique de l'au moins une bobine (3) sur le drain thermique (4) et du drain thermique (4) sur la semelle (5) au niveau de la première zone de contact (ZC1) et de la seconde zone de contact (ZC2). 3. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon la revendication 2 dans lequel les moyens de fixation (19) comprennent une sangle, de préférence en inox. 4. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le drain thermique (4) a une forme de « U », la surface intérieure d u « U » correspondant à la portion de la première surface (8) du drain thermique (4) de forme sensiblement complémentaire à la portion de la surface d'échange thermique (6) de l'au moins une bobine (3) définissant la première zone de contact (ZC1). 5. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le drain thermique (4) présente une épaisseur comprise entre 2 mm et 5 mm sur toute sa section. 6. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel la semelle (5) présente une épaisseur comprise entre 5 mm et 15 mm. 7. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon la revendication 6 dans lequel la semelle (5) présente 10 une épaisseur comprise entre 8 mm et 10 mm. 8. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel la première zone de contact (ZC1) s'étend sur au moins 75 % de la surface d'échange thermique (6) de l'au moins une bobine (3). 15 9. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel le composant magnétique (3), le drain thermique (4) et la semelle (5) sont imprégnés avec un vernis, de préférence de classe H. 10. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant 20 magnétique (2) selon l'une des revendications 1 à 9 comportant un refroidisseur (21), tel un dissipateur à ailettes couplé thermiquement avec la semelle (5). 11. Dispositif de refroidissement (1) pour un composant magnétique (2) selon la revendication 10 dans lequel la semelle (5) présente 25 des moyens de fixation (20) au refroidisseur (21). 12. Composant magnétique (2) équipé d'un dispositif de refroidissement (1) selon l'une des revendications 1 à 11.